JP6430678B2 - projector - Google Patents

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Description

本開示は、物体に像を投影するプロジェクタに関する。特に、像が投影される物体までの距離に応じてフォーカス調整を行う必要がないフォーカスフリーのプロジェクタに関する。   The present disclosure relates to a projector that projects an image on an object. In particular, the present invention relates to a focus-free projector that does not require focus adjustment according to the distance to an object on which an image is projected.

公知のプロジェクタは、静止画像または動画像をスクリーンなどの平坦な表示面上に投影して表示する装置である。投影される画像(一次画像)は、例えば、スライド(ポジ型フィルム)上の静止画像または液晶パネル上の静止画像もしくは動画像である。スライドまたは液晶パネルは、画像を規定する二次元的パターンを形成する表示媒体であり、例えば高輝度放電ランプまたはLED(Light Emitting Diode)光源によって照らされて二次元パターン(輝度分布)を形成する。一次画像は、投射レンズ光学系により、表示面であるスクリーン上に拡大して投影されて結像する。このようなプロジェクタの典型例は、データプロジェクタ、ビデオプロジェクタ、ゲームプロジェクタ、フロントプロジェクションTVセット、リアプロジェクションTVセットなどを含む。   A known projector is a device that projects and displays a still image or a moving image on a flat display surface such as a screen. The projected image (primary image) is, for example, a still image on a slide (positive film), a still image or a moving image on a liquid crystal panel. A slide or a liquid crystal panel is a display medium that forms a two-dimensional pattern that defines an image, and forms a two-dimensional pattern (luminance distribution) by being illuminated by, for example, a high-intensity discharge lamp or an LED (Light Emitting Diode) light source. The primary image is enlarged and projected on a screen as a display surface by the projection lens optical system to form an image. Typical examples of such a projector include a data projector, a video projector, a game projector, a front projection TV set, a rear projection TV set, and the like.

従来のプロジェクタでは、スクリーンまでの距離(投射距離)を変えたり、表示の倍率を変えたりするたびに、投射レンズ光学系の焦点距離を調整しなければ、スクリーン上にフォーカスのあった像を形成することができなかった。この点については、後に図7を参照しながら説明する。   With a conventional projector, every time the distance to the screen (projection distance) is changed or the magnification of the display is changed, a focused image is formed on the screen unless the focal length of the projection lens optical system is adjusted. I couldn't. This will be described later with reference to FIG.

これに対して、細くコリメートされたレーザビームでスクリーン上を高速に走査するフォーカスフリーのプロジェクタが提案されている(例えば特許文献1)。このようなプロジェクタでは、MEMS(Micro Electro Mechanical System)ミラーを用いてレーザビームのラスタスキャンを行いながら、輝度信号に応じてレーザビームの強度を変調して像が形成される。スクリーン上におけるレーザビームの照射スポットのサイズは投射距離にほとんど依存しないため、焦点合わせを行うことなく鮮明な画像が得られる。   On the other hand, a focus-free projector that scans a screen at high speed with a thinly collimated laser beam has been proposed (for example, Patent Document 1). In such a projector, an image is formed by modulating the intensity of the laser beam in accordance with the luminance signal while performing raster scanning of the laser beam using a MEMS (Micro Electro Mechanical System) mirror. Since the size of the laser beam irradiation spot on the screen hardly depends on the projection distance, a clear image can be obtained without focusing.

特開2011−221060号公報JP 2011-2221060 A

特許文献1に記載のプロジェクタでは、細くコリメートされた光強度(パワー密度)の高い1本または数本のレーザビームをレーザ光源から出射するため、レーザビームが誤って観視者の目に入った場合には、網膜損傷などの問題が生じる畏れがある。このため、プロジェクタとスクリーンとの間の空間に人間が入れないように規制するか、万一レーザ光が目に入った場合でも悪影響が出ない程度にまでレーザビームの強度を低下させる必要がある。このことは、プロジェクタシステムの設計自由度を低下させ、明るい表示画像の実現を妨げる。   In the projector described in Patent Document 1, one or several laser beams with high collimated light intensity (power density) are emitted from the laser light source, so that the laser beam accidentally enters the eyes of the viewer. In some cases, problems such as retinal damage may occur. For this reason, it is necessary to restrict humans from entering the space between the projector and the screen, or to reduce the intensity of the laser beam to such an extent that no adverse effect will occur even if laser light enters the eye. . This reduces the degree of freedom in designing the projector system and prevents the realization of a bright display image.

本開示の実施形態は、フォーカスフリーで動作する全く新しい構成のプロジェクタを提供する。   Embodiments of the present disclosure provide a completely new configuration projector that operates in a focus-free manner.

本発明のプロジェクタは、例示的な一態様において、フォーカスフリーで物体に像を投影するプロジェクタであって、前記像を規定する二次元パターンを形成する透過型空間光変調器と、前記空間光変調器をレーザ光で照射するレーザ光源とを備え、前記空間光変調器は、前記二次元パターンの空間強度分布を持つ複数の光ビームの束を前記レーザ光から生成する。   In one exemplary aspect, the projector according to the present invention is a projector that projects an image onto an object in a focus-free manner, the transmissive spatial light modulator forming a two-dimensional pattern that defines the image, and the spatial light modulation A laser light source for irradiating the device with laser light, and the spatial light modulator generates a bundle of a plurality of light beams having a spatial intensity distribution of the two-dimensional pattern from the laser light.

本発明のプロジェクタは、他の態様において、フォーカスフリーで物体に像を投影するプロジェクタであって、前記像を規定する二次元パターンを形成する複数の透過型空間光変調器と、前記複数の空間光変調器をそれぞれ異なる波長域のレーザ光で照射する複数のレーザ光源とを備え、前記複数の空間光変調器のそれぞれは、前記二次元パターンの空間強度分布を持つ複数の光ビームの束を前記レーザ光から生成する。   In another aspect, the projector of the present invention is a projector that projects an image onto an object in a focus-free manner, and includes a plurality of transmissive spatial light modulators that form a two-dimensional pattern that defines the image, and the plurality of spaces. A plurality of laser light sources for irradiating the light modulators with laser beams of different wavelength ranges, and each of the plurality of spatial light modulators includes a bundle of a plurality of light beams having a spatial intensity distribution of the two-dimensional pattern. Generated from the laser light.

本発明のプロジェクタは、更に他の態様において、フォーカスフリーで物体に像を投影するプロジェクタであって、前記像を規定する二次元パターンを光変調領域に形成する空間光変調器と、前記空間光変調器の前記光変調領域をレーザ光で照射する1個または複数個の半導体レーザ素子とを備え、前記空間光変調器は、前記二次元パターンの空間強度分布を持つ複数の光ビームの束を前記レーザ光から生成し、前記1個または複数個の半導体レーザ素子の全ては、半導体積層方向が前記空間光変調器の前記光変調領域の最小寸法方向に直交するように配置されている。   In yet another aspect, the projector of the present invention is a projector that projects an image onto an object in a focus-free manner, the spatial light modulator forming a two-dimensional pattern defining the image in a light modulation region, and the spatial light One or a plurality of semiconductor laser elements that irradiate the light modulation region of the modulator with laser light, and the spatial light modulator is configured to emit a bundle of a plurality of light beams having a spatial intensity distribution of the two-dimensional pattern. All of the one or a plurality of semiconductor laser elements generated from the laser light are arranged so that the semiconductor lamination direction is orthogonal to the minimum dimension direction of the light modulation region of the spatial light modulator.

本開示の実施形態によると、透過型の空間光変調器から出射された複数の光ビームの束を物体に入射させ、物体上における個々の光ビームの照射点を画素とする像を物体に形成する。レーザ光から形成された個々の光ビームは高い指向性を持つため、物体までの距離に依存せず、物体に鮮明な像を投影することができる。   According to an embodiment of the present disclosure, a bundle of a plurality of light beams emitted from a transmissive spatial light modulator is incident on an object, and an image is formed on the object with each light beam irradiation point on the object as a pixel. To do. Since each light beam formed from the laser light has high directivity, a clear image can be projected onto the object without depending on the distance to the object.

図1は、本開示のプロジェクタの限定的ではない例示的な構成例を模式的に示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating a non-limiting exemplary configuration example of the projector according to the present disclosure. 図2は、本開示のプロジェクタに使用され得る空間光変調器20の構成例を模式的に示す正面図である。FIG. 2 is a front view schematically showing a configuration example of the spatial light modulator 20 that can be used in the projector of the present disclosure. 図3Aは、ある二次元パターンを形成している空間光変調器20の2個の開口(画素領域)22から出射された光ビーム300a、300bを模式的に示す断面図である。FIG. 3A is a cross-sectional view schematically showing light beams 300a and 300b emitted from two openings (pixel regions) 22 of the spatial light modulator 20 forming a certain two-dimensional pattern. 図3Bは、他の二次元パターンを形成している空間光変調器20の4個の開口(画素領域)22から出射された光ビーム300a、300b、300c、300dを模式的に示す断面図である。FIG. 3B is a cross-sectional view schematically showing light beams 300a, 300b, 300c, and 300d emitted from the four openings (pixel regions) 22 of the spatial light modulator 20 forming another two-dimensional pattern. is there. 図3Cは、空間光変調器20に対して斜めにレーザ光30が入射する例を示す断面図である。FIG. 3C is a cross-sectional view illustrating an example in which the laser light 30 is incident on the spatial light modulator 20 obliquely. 図4は、空間光変調器20の開口(画素領域)22から出射される光ビーム300a、300bが、回折によって拡がる例を模式的に示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view schematically illustrating an example in which the light beams 300a and 300b emitted from the opening (pixel region) 22 of the spatial light modulator 20 are spread by diffraction. 図5は、各開口(画素領域)22の出射側にマイクロレンズを配置したマイクロレンズアレイ付き空間光変調器20を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing the spatial light modulator 20 with a microlens array in which microlenses are arranged on the emission side of each opening (pixel region) 22. 図6は、レーザ光源10から出たレーザ光30を平行光にコリメートすることなく、空間光変調器20に入射する構成の例を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a configuration in which the laser light 30 emitted from the laser light source 10 is incident on the spatial light modulator 20 without collimation into parallel light. 図7は、投射レンズ光学系を用いる従来のプロジェクタの構成例を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example of a conventional projector using a projection lens optical system. 図8Aは、本開示によるプロジェクタ100を用いてスクリーン200にテキストデータを投影して表示している例を模式的に示す斜視図である。FIG. 8A is a perspective view schematically illustrating an example in which text data is projected and displayed on the screen 200 using the projector 100 according to the present disclosure. 図8Bは、プロジェクタ100から出た光ビームの一部を他のスクリーン200aで遮断した状態を示す斜視図である。FIG. 8B is a perspective view showing a state in which a part of the light beam emitted from projector 100 is blocked by another screen 200a. 図8Cは、スクリーン200が傾斜している状態を模式的に示す斜視図である。FIG. 8C is a perspective view schematically showing a state in which the screen 200 is inclined. 図8Dは、平坦ではなく、途中で折れているスクリーン200上に像を表示する例を示す斜視図である。FIG. 8D is a perspective view showing an example in which an image is displayed on the screen 200 that is not flat but is broken in the middle. 図9は、本開示の実施形態におけるプロジェクタ100の構成例を模式的に示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration example of the projector 100 according to the embodiment of the present disclosure. 図10は、本開示の実施形態における空間光変調器20の構成例を模式的に示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration example of the spatial light modulator 20 in the embodiment of the present disclosure. 図11は、本開示の他の実施形態におけるプロジェクタ100の構成例を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the projector 100 according to another embodiment of the present disclosure. 図12は、本開示の更に他の実施形態におけるプロジェクタ100の構成例を示す断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the projector 100 according to still another embodiment of the present disclosure. 図13は、本開示の更に他の実施形態におけるプロジェクタ100の構成例を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the projector 100 according to still another embodiment of the present disclosure. 図14は、本開示の更に他の実施形態におけるプロジェクタ100の構成例を示す断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the projector 100 according to still another embodiment of the present disclosure. 図15は、本開示の更に他の実施形態におけるプロジェクタ100の構成例を示す断面図である。FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the projector 100 according to still another embodiment of the present disclosure. 図16は、本開示の更に他の実施形態におけるプロジェクタ100の構成例を示す断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the projector 100 according to still another embodiment of the present disclosure. 図17は、本開示の更に他の実施形態におけるプロジェクタ100の構成例を示す断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the projector 100 according to still another embodiment of the present disclosure. 図18Aはフィールドシーケンシャル方式でカラー画像を投影するプロジェクタ100の動作を示す図である。FIG. 18A is a diagram showing an operation of the projector 100 that projects a color image by a field sequential method. 図18Bはフィールドシーケンシャル方式でカラー画像を投影するプロジェクタ100の動作を示す他の図である。FIG. 18B is another diagram illustrating the operation of the projector 100 that projects a color image by the field sequential method. 図18Cはフィールドシーケンシャル方式でカラー画像を投影するプロジェクタ100の動作を示す更に他の図である。FIG. 18C is still another diagram illustrating the operation of the projector 100 that projects a color image by the field sequential method. 図19は、フィールドシーケンシャル方式で動作するプロジェクタ100におけるレーザ光源10R、10G、10Bの点灯状態の時間変化を示す図である。FIG. 19 is a diagram showing temporal changes in the lighting states of the laser light sources 10R, 10G, and 10B in the projector 100 operating in the field sequential method. 図20は、本開示による3板式のプロジェクタ100の構成例を示す図である。FIG. 20 is a diagram illustrating a configuration example of a three-plate projector 100 according to the present disclosure. 図21は、ある典型的な半導体レーザ素子の基本構成を模式的に示す斜視図である。FIG. 21 is a perspective view schematically showing a basic configuration of a typical semiconductor laser element. 図22Aは、半導体レーザ素子10Dの発光領域124から出たレーザ光30の拡がり方(ダイバージェンス)を模式的に示す斜視図である。FIG. 22A is a perspective view schematically showing how the laser beam 30 emitted from the light emitting region 124 of the semiconductor laser element 10D spreads (divergence). 図22Bは、レーザ光30の拡がり方を模式的に示す側面図である。図の右側には、参考のため、半導体レーザ素子10Dをz軸の正方向から視た正面図も記載されている。FIG. 22B is a side view schematically showing how the laser beam 30 spreads. On the right side of the figure, for reference, a front view of the semiconductor laser element 10D viewed from the positive direction of the z-axis is also shown. 図22Cは、レーザ光30の拡がり方を模式的に示す上面図である。FIG. 22C is a top view schematically showing how the laser beam 30 spreads. 図22Dは、レーザ光30のy軸(速軸)方向における拡がりを示すグラフである。FIG. 22D is a graph showing the spread of the laser light 30 in the y-axis (fast axis) direction. 図22Eは、レーザ光30のx軸(遅軸)方向における拡がりを示すグラフである。FIG. 22E is a graph showing the spread of the laser beam 30 in the x-axis (slow axis) direction. 図23は、レーザ光30の断面のy軸方向サイズFyおよびx軸方向サイズFxと、発光領域124からの距離(z軸方向の位置)との関係の例を示すグラフである。FIG. 23 is a graph showing an example of the relationship between the y-axis direction size Fy and the x-axis direction size Fx of the cross section of the laser light 30 and the distance from the light emitting region 124 (position in the z-axis direction). 図24は、半導体レーザ素子10Dを用いて、図15のプロジェクタ100を実現するための構成例を示す斜視図である。FIG. 24 is a perspective view illustrating a configuration example for realizing the projector 100 of FIG. 15 using the semiconductor laser element 10D. 図25は、図15のプロジェクタ100を実現するための他の構成例を示す斜視図である。FIG. 25 is a perspective view showing another configuration example for realizing projector 100 in FIG. 図26は、表面に段差を有するワーク200bに像を投影する露光装置の構成の例を示す図である。FIG. 26 is a diagram showing an example of the configuration of an exposure apparatus that projects an image onto a workpiece 200b having a step on the surface. 図27は、イメージセンサなどの受光素子200cの受光面に光ビーム300の束を入射する構成の例を示す図である。FIG. 27 is a diagram illustrating an example of a configuration in which a bundle of light beams 300 is incident on a light receiving surface of a light receiving element 200c such as an image sensor.

<用語>
「物体」とは、スクリーン、壁、ガラス、デスクトップ、建物、道路、車両、身体の一部(例えば腕、手のひら、背中など)または全身、水滴または粉末粒子の集まり、流動体、半透明体、感光性樹脂、イメージセンサ(受光素子)などを広く含む。
<Terminology>
“Object” means screen, wall, glass, desktop, building, road, vehicle, body part (eg arm, palm, back, etc.) or whole body, collection of water droplets or powder particles, fluid, translucent body, Widely includes photosensitive resins, image sensors (light receiving elements), and the like.

「像」とは、文字、記号、画像に限定されず、意味を持たないランダムなパターン、二次元バーコードのように符号化されたパターン、回路配線のパターンなどを含む。   The “image” is not limited to characters, symbols, and images, and includes a random pattern having no meaning, a pattern encoded like a two-dimensional barcode, a circuit wiring pattern, and the like.

「投影」は拡大のみならず、縮小も含む。   “Projection” includes not only enlargement but also reduction.

「レーザ光」は、シングルモード発振によって生じたレーザ光に限定されず、マルチモード発振で生じたレーザ光、波長の異なるレーザ光を多重化した光を含む。レーザ光は、可視光に限定されず、赤外、紫外の光波(電磁波)であってもよい。   The “laser light” is not limited to laser light generated by single mode oscillation, and includes laser light generated by multimode oscillation and light obtained by multiplexing laser beams having different wavelengths. The laser light is not limited to visible light, and may be infrared or ultraviolet light waves (electromagnetic waves).

「空間光変調器」は、光の強度(電磁波の振幅)を空間的に変調するデバイスであり、位相のみを空間的に変調するデバイスを含まない。空間光変調器の典型例は、画素単位で光透過率を変化させることのできる液晶パネル(透過型液晶表示装置)である。空間光変調器は、形成する二次元パターンが時間的に変化しないスライド(ポジ型フィルムまたは反転フィルム)、プレパラート上の試料、OHPシート、影絵用の切り絵であってもよい。このような表示媒体は、適宜、他の表示媒体と交換することにより、二次元パターンを変更することができる。空間光変調器(Spatial Light Modulator)は、単に「SLM」と表記される場合がある。   A “spatial light modulator” is a device that spatially modulates the intensity of light (the amplitude of electromagnetic waves), and does not include a device that spatially modulates only the phase. A typical example of the spatial light modulator is a liquid crystal panel (transmission type liquid crystal display device) capable of changing light transmittance in units of pixels. The spatial light modulator may be a slide (positive film or reversal film) in which a two-dimensional pattern to be formed does not change with time, a sample on a slide, an OHP sheet, or a cutout for shadows. Such a display medium can change a two-dimensional pattern by exchanging with another display medium suitably. The spatial light modulator (Spatial Light Modulator) may be simply expressed as “SLM”.

<原理>
本開示のプロジェクタの実施形態を具体的に説明する前に、このプロジェクタの基本構成例と動作の原理を説明する。
<Principle>
Before specifically describing an embodiment of a projector according to the present disclosure, a basic configuration example and an operation principle of the projector will be described.

図1は、本開示におけるプロジェクタ100の例示的な基本構成の例を示す断面図である。図には、プロジェクタ100の向きに関連付けられた座標軸(Y軸およびZ軸)が示されている。図1には示されていないが、Y軸およびZ軸の両方に直交する方向にX軸が存在し、相互に直交するX軸、Y軸、およびZ軸からXYZ座標が形成されている。他の図面にも、必要に応じて座標軸が記載される。   FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an exemplary basic configuration of the projector 100 according to the present disclosure. In the figure, coordinate axes (Y axis and Z axis) associated with the orientation of the projector 100 are shown. Although not shown in FIG. 1, an X axis exists in a direction orthogonal to both the Y axis and the Z axis, and XYZ coordinates are formed from the X axis, the Y axis, and the Z axis orthogonal to each other. Coordinate axes are also described in other drawings as necessary.

このプロジェクタ100は、スクリーン200などの物体に像を投影するプロジェクタであって、像を規定する二次元パターンを形成する透過型の空間光変調器20と、空間光変調器20をレーザ光30で照射するレーザ光源10とを備えている。図1では、簡単のため、レーザ光30の光軸がZ軸に平行な構成が記載されている。レーザ光30の光軸の向きは、光路に置かれた不図示のミラーによって途中で変化していてもよい。   This projector 100 is a projector that projects an image onto an object such as a screen 200, and a transmissive spatial light modulator 20 that forms a two-dimensional pattern that defines the image, and the spatial light modulator 20 with laser light 30. And a laser light source 10 for irradiation. For the sake of simplicity, FIG. 1 shows a configuration in which the optical axis of the laser beam 30 is parallel to the Z axis. The direction of the optical axis of the laser beam 30 may be changed on the way by a mirror (not shown) placed in the optical path.

この例において、レーザ光源10から放射されたレーザ光30は、ビーム成形レンズ40によって成形される。この例におけるビーム成形レンズ40は、凹レンズ40aおよび凸レンズ40bを含んでいる。レーザ光30の光軸に垂直な断面のサイズ(直径)は、凹レンズ40aによって拡大され、凸レンズ40bによって平行光にコリメートされている。ビーム成形レンズ40を透過したレーザ光30は、空間光変調器20の背面側を照射する。レーザ光30は、空間光変調器20が有する複数の開口22を透過して光ビーム300の束(bundle)として出射される。複数の光ビーム300の強度は、それぞれ、空間光変調器20の開口22を透過するときに変調される。   In this example, the laser light 30 emitted from the laser light source 10 is shaped by the beam shaping lens 40. The beam shaping lens 40 in this example includes a concave lens 40a and a convex lens 40b. The size (diameter) of the cross section perpendicular to the optical axis of the laser beam 30 is enlarged by the concave lens 40a and collimated to parallel light by the convex lens 40b. The laser beam 30 transmitted through the beam shaping lens 40 irradiates the back side of the spatial light modulator 20. The laser light 30 passes through a plurality of openings 22 of the spatial light modulator 20 and is emitted as a bundle of light beams 300. The intensity of the plurality of light beams 300 is modulated when passing through the opening 22 of the spatial light modulator 20.

図2は、本開示のプロジェクタ100に使用され得る空間光変調器20における開口22の配置例を模式的に示す正面図である。空間光変調器20は、XY面に沿った二次元空間強度分布を持つ複数の光ビーム300の束をレーザ光30から生成する(図1参照)。具体的には、複数の光ビーム300をそれぞれ通過させる開口22のアレイが形成されており、開口22ごとに1本の光ビーム300を出射する。なお、開口22以外の領域は、必ずしも1層の連続した遮光層で覆われている必要はない。例えばX軸方向に延びる複数の配線と、Y軸方向に延びる複数の配線とが交差し、Z軸方向から視たとき、光を透過させる領域が複数の部分に区画されていれば、各部分が「開口」として機能する。   FIG. 2 is a front view schematically showing an arrangement example of the openings 22 in the spatial light modulator 20 that can be used in the projector 100 of the present disclosure. The spatial light modulator 20 generates a bundle of a plurality of light beams 300 having a two-dimensional spatial intensity distribution along the XY plane from the laser light 30 (see FIG. 1). Specifically, an array of openings 22 through which each of the plurality of light beams 300 passes is formed, and one light beam 300 is emitted for each opening 22. Note that the region other than the opening 22 does not necessarily have to be covered with one continuous light shielding layer. For example, if a plurality of wirings extending in the X-axis direction and a plurality of wirings extending in the Y-axis direction intersect and the region that transmits light when viewed from the Z-axis direction is divided into a plurality of parts, Functions as an “opening”.

図2に記載されている開口22の配列は、一例にすぎず、配列のパターンは図2の例に限定されない。各開口22が三角形の頂点に配置されるデルタ配列を採用してもよい。個々の開口22の形状は長方形に限定されず、正方形、六角形、その他の多角形、もしくは、円形、楕円形、または、他の複雑な形状であってもよい。開口22の配列は、周期的である必要はなく、不規則であってもよい。   The arrangement of the openings 22 shown in FIG. 2 is merely an example, and the arrangement pattern is not limited to the example of FIG. You may employ | adopt the delta arrangement | positioning by which each opening 22 is arrange | positioned at the vertex of a triangle. The shape of each opening 22 is not limited to a rectangle, and may be a square, a hexagon, other polygons, a circle, an ellipse, or other complex shapes. The arrangement of the openings 22 need not be periodic and may be irregular.

図2の配置例において、1個の開口22のX軸方向におけるサイズをdx、Y軸方向におけるサイズをdyとするとき、dxおよびdyは、それぞれ、例えば1μmから100μm程度の範囲に設定され得る。また、開口22の配列のX軸方向における中心間距離をPx、Y軸方向における中心間距離をPyとするとき、PxおよびPyは、それぞれ、dxおよびdyの例えば1.1倍から2倍程度の大きさに設定され得る。   In the arrangement example of FIG. 2, when the size in the X-axis direction of one opening 22 is dx and the size in the Y-axis direction is dy, dx and dy can be set in a range of about 1 μm to 100 μm, for example. . Further, when the center-to-center distance in the X-axis direction of the array of the openings 22 is Px and the center-to-center distance in the Y-axis direction is Py, Px and Py are, for example, about 1.1 to 2 times dx and dy, respectively. Can be set to a size of.

図2の例では、横×縦=15×5個の開口22が図示されているが、これは例示にすぎず、1つの空間光変調器20が有する開口22の個数は、例えば横1024×縦768個であり得る。開口22の個数は、この例よりも多くてもよいし、少なくてもよく、投影画像に求められる画素数に合わせて任意の値に設定される。   In the example of FIG. 2, horizontal × vertical = 15 × 5 apertures 22 are illustrated, but this is merely an example, and the number of apertures 22 included in one spatial light modulator 20 is, for example, horizontal 1024 ×. There may be 768 vertical. The number of openings 22 may be larger or smaller than this example, and is set to an arbitrary value according to the number of pixels required for the projection image.

この例における空間光変調器20では、各開口22の光透過率が駆動信号(映像信号)に応答してアナログ的に変化することができ、それによって個々の光ビーム300の強度が調整される。例えば開口22a、22b、22cの透過率が、それぞれ、100%、60%、0%に設定されているとする。このとき、開口22aから出た光ビーム300の強度(電界振幅の二乗)を100(任意単位)とすると、開口22bから出た光ビーム300の強度(電界振幅の二乗)は60である。また、開口22cからは光ビーム300は出射されない。このようにして、空間光変調器20の空間透過率分布を調整することにより、多数の開口22からそれぞれ出射される光ビーム300が作る束の空間強度分布を制御することができる。このような機能を有する空間光変調器20の典型例は、透過型の液晶パネルである。透過型の液晶パネルによって空間光変調器20を実現する場合、液晶パネルが有する複数の画素領域がそれぞれ複数の開口22として機能し得る。液晶パネルの構成例および動作は後述する。   In the spatial light modulator 20 in this example, the light transmittance of each opening 22 can be changed in an analog manner in response to a drive signal (video signal), whereby the intensity of each light beam 300 is adjusted. . For example, it is assumed that the transmittances of the openings 22a, 22b, and 22c are set to 100%, 60%, and 0%, respectively. At this time, if the intensity (the square of the electric field amplitude) of the light beam 300 emitted from the opening 22a is 100 (arbitrary unit), the intensity (the square of the electric field amplitude) of the light beam 300 emitted from the opening 22b is 60. Further, the light beam 300 is not emitted from the opening 22c. In this way, by adjusting the spatial transmittance distribution of the spatial light modulator 20, it is possible to control the spatial intensity distribution of the bundle formed by the light beams 300 emitted from the multiple apertures 22, respectively. A typical example of the spatial light modulator 20 having such a function is a transmissive liquid crystal panel. When the spatial light modulator 20 is realized by a transmissive liquid crystal panel, a plurality of pixel regions included in the liquid crystal panel can function as a plurality of openings 22, respectively. A configuration example and operation of the liquid crystal panel will be described later.

本開示における空間光変調器20は、入射したレーザ光30の「位相」ではなく「振幅(強度)」を画素単位で変調する空間光振幅変調器である。空間光変調器20の各開口22から出射される光ビーム300の出射角度は、形成する二次元パターン(透過率の面内分布)によらず、開口22ごとに一定である。   The spatial light modulator 20 according to the present disclosure is a spatial light amplitude modulator that modulates not “phase” but “amplitude (intensity)” of an incident laser beam 30 in units of pixels. The emission angle of the light beam 300 emitted from each opening 22 of the spatial light modulator 20 is constant for each opening 22 regardless of the two-dimensional pattern (transmission in-plane distribution) to be formed.

図1に示すように、空間光変調器20から出た多数の光ビーム300の束は、スクリーン200に入射し、スクリーン200上に照射点(光ビームスポット)の配列を形成する。その結果、スクリーン200上における個々の光ビーム300の照射点を画素とする像がスクリーン200上に形成される。このような光ビーム300の照射点の配列は、空間光変調器20上の二次元パターンに応じた投影画像を構成する。空間光変調器20から出射される複数の光ビーム300は、空間コヒーレンスの高いレーザ光30から形成されているため、個々の光ビーム300は高い指向性を持つ。このため、空間光変調器20からスクリーン200までの距離が変化し、例えば破線で示される位置にスクリーン200が移動しても、投影画像に「デフォーカスによるぼやけ(blur)」は生じず、鮮明さは変化しない。   As shown in FIG. 1, a bundle of many light beams 300 emitted from the spatial light modulator 20 is incident on the screen 200 and forms an array of irradiation points (light beam spots) on the screen 200. As a result, an image having pixels as the irradiation points of the individual light beams 300 on the screen 200 is formed on the screen 200. Such an array of irradiation points of the light beam 300 constitutes a projection image corresponding to the two-dimensional pattern on the spatial light modulator 20. Since the plurality of light beams 300 emitted from the spatial light modulator 20 are formed from the laser light 30 having high spatial coherence, the individual light beams 300 have high directivity. For this reason, even if the distance from the spatial light modulator 20 to the screen 200 changes, and the screen 200 moves to a position indicated by a broken line, for example, “blurred by defocus” does not occur in the projected image, and the projected image is clear. There is no change.

このように本開示のプロジェクタは、フォーカスフリーで動作し、任意の投射距離で「デフォーカスによるぼやけ」のない鮮明な画像を形成することができる。   As described above, the projector of the present disclosure operates in a focus-free manner, and can form a clear image without “blurring due to defocus” at an arbitrary projection distance.

図3Aは、ある二次元パターンを形成している空間光変調器20に入射するレーザ光30と、空間光変調器20の2個の開口22から出射された光ビーム300a、300bを模式的に示す断面図である。光ビーム300を出射していない開口22は、透過率が0%に設定されている。レーザ光30は、コヒーレンスの高い光波であり、図示されている例では、単色(単一波長)の平面波である。   FIG. 3A schematically shows a laser beam 30 incident on the spatial light modulator 20 forming a certain two-dimensional pattern and light beams 300a and 300b emitted from the two openings 22 of the spatial light modulator 20. It is sectional drawing shown. The transmittance of the opening 22 that does not emit the light beam 300 is set to 0%. The laser beam 30 is a light wave having high coherence, and is a monochromatic (single wavelength) plane wave in the illustrated example.

図3Bは、他の二次元パターンを形成している空間光変調器20に入射するレーザ光30と、空間光変調器20の4個の開口22から出射された光ビーム300a、300b、300c、300dを模式的に示す断面図である。光ビーム300を出射していない開口22は、透過率が0%に設定されている。   3B shows a laser beam 30 incident on the spatial light modulator 20 forming another two-dimensional pattern, and light beams 300a, 300b, 300c emitted from the four openings 22 of the spatial light modulator 20. It is sectional drawing which shows 300d typically. The transmittance of the opening 22 that does not emit the light beam 300 is set to 0%.

図3Aおよび図3Bに示されるように、空間光変調器20から出た光ビーム300の束は、空間光変調器20が形成する二次元パターンに応じた空間強度分布を持つ。光ビーム300の束の一部または全部を遮るように物体を配置すると、その物体に入射した光ビーム300が物体表面に明るい光ビームスポットを形成する。これらの光ビームスポット(輝点)の配列が画素の配列として投影画像を形成するため、結像のための投射レンズ光学系は必要ない。空間光変調器20から出た光ビーム300の束は、ニードルビームのアレイと呼んでも良い。   As shown in FIGS. 3A and 3B, the bundle of light beams 300 emitted from the spatial light modulator 20 has a spatial intensity distribution corresponding to the two-dimensional pattern formed by the spatial light modulator 20. When an object is arranged so as to block part or all of the bundle of light beams 300, the light beam 300 incident on the object forms a bright light beam spot on the object surface. Since an array of these light beam spots (bright spots) forms a projected image as an array of pixels, a projection lens optical system for imaging is not necessary. The bundle of light beams 300 emerging from the spatial light modulator 20 may be referred to as an array of needle beams.

図3Cは、空間光変調器20に対して斜めにレーザ光30が入射する例を示す断面図である。図示されている例では、光ビーム300a、300bが斜めに出射されている。このように、レーザ光30は空間光変調器20に対して垂直ではなく斜めに入射されてもよい。また、レーザ光30は平面波である必要はなく、波面の曲率半径が開口22のサイズに比べて十分に大きければ、球面波であってもよい。また、レーザ光30の波長は1つに限定されず、異なる波長のレーザ光30が同一の空間光変調器20に同時または順次に入射するように構成されていてもよい。像の投影が、人間による観察を目的としない場合は、レーザ光30の波長は可視光域から外れていてもよい。   FIG. 3C is a cross-sectional view illustrating an example in which the laser light 30 is incident on the spatial light modulator 20 obliquely. In the illustrated example, the light beams 300a and 300b are emitted obliquely. As described above, the laser light 30 may be incident on the spatial light modulator 20 at an angle rather than perpendicularly. Further, the laser beam 30 does not need to be a plane wave, and may be a spherical wave as long as the radius of curvature of the wave front is sufficiently larger than the size of the opening 22. Further, the wavelength of the laser beam 30 is not limited to one, and the laser beams 30 having different wavelengths may be configured to enter the same spatial light modulator 20 simultaneously or sequentially. When the projection of the image is not intended for human observation, the wavelength of the laser beam 30 may be out of the visible light range.

図4は、空間光変調器20の開口22から出射された光ビーム300a、300bが、開口22の回折効果によって拡がる例を示している。光ビーム300の回折は、原則として、個々の開口22の形状およびサイズ、ならびにレーザ光30の波長λによって規定される。一般には、開口22のサイズが小さくなるほど、回折は強くなり、光ビーム300は広がりやすくなる。光ビーム300の拡がりは、光ビーム300の光軸(Z軸)に直交する断面サイズがZ座標の増加に応じてどの程度で増加するかによって定義され得る。空間光変調器20の光出射側面からの距離をRz、距離Rzにおける光ビーム300の断面の直径をD(Rz)とするとき、近似的に、D(Rz)=2θ×Rzの関係が成立する。距離Rzの位置にスクリーンがあるとき、スクリーン上における光ビームスポット(画素)のサイズは、D(Rz)に等しい。   FIG. 4 shows an example in which the light beams 300 a and 300 b emitted from the opening 22 of the spatial light modulator 20 are spread by the diffraction effect of the opening 22. The diffraction of the light beam 300 is in principle defined by the shape and size of the individual apertures 22 and the wavelength λ of the laser light 30. In general, the smaller the size of the opening 22, the stronger the diffraction and the easier the light beam 300 will spread. The spread of the light beam 300 can be defined by how much the cross-sectional size orthogonal to the optical axis (Z axis) of the light beam 300 increases as the Z coordinate increases. When the distance from the light emitting side surface of the spatial light modulator 20 is Rz and the diameter of the cross section of the light beam 300 at the distance Rz is D (Rz), the relationship of D (Rz) = 2θ × Rz is established approximately. To do. When the screen is located at the distance Rz, the size of the light beam spot (pixel) on the screen is equal to D (Rz).

このような回折による光ビーム300の拡大は、開口22のサイズがレーザ光30の波長λに比べて十分に大きく、投射距離が短い場合は、無視できる。しかし、開口22のサイズが小さく、投射距離が長い場合には、個々の光ビーム300の拡がりを抑制するため、例えば図5に示すように、開口22の出射側にマイクロレンズアレイ29を配置することが好ましい。マイクロレンズアレイ29を構成するマイクロレンズは、それぞれ、開口22から出射させる光ビーム300の回折による拡がりを相殺するように光ビーム300の波面を調整し、コリメートすることができる。マイクロレンズアレイ29による光ビーム300の拡がり制御は、透過型の空間光変調器20を採用したことにより初めて実現可能になる。   Such expansion of the light beam 300 by diffraction is negligible when the size of the opening 22 is sufficiently larger than the wavelength λ of the laser light 30 and the projection distance is short. However, when the size of the opening 22 is small and the projection distance is long, a microlens array 29 is arranged on the emission side of the opening 22 to suppress the spread of the individual light beams 300, for example, as shown in FIG. It is preferable. Each of the microlenses constituting the microlens array 29 can adjust and collimate the wavefront of the light beam 300 so as to cancel the spread due to diffraction of the light beam 300 emitted from the opening 22. The spread control of the light beam 300 by the microlens array 29 can be realized for the first time by adopting the transmissive spatial light modulator 20.

開口22による回折を原因とする光ビーム300の拡がりを抑制する構成は、マイクロレンズアレイ29に限定されない。液晶パネルを空間光変調器20として用いる場合、各画素電極の周辺に形成される電界分布を調整して液晶層の屈折率分布を適切に制御すれば、レンズの効果を付与して回折の効果を相殺することも可能である。   The configuration that suppresses the spread of the light beam 300 caused by diffraction by the opening 22 is not limited to the microlens array 29. When the liquid crystal panel is used as the spatial light modulator 20, if the electric field distribution formed around each pixel electrode is adjusted to appropriately control the refractive index distribution of the liquid crystal layer, a lens effect is imparted and a diffraction effect is obtained. Can be offset.

回折は、多数の開口22が周期的に配列されることによっても生じ得る。このような「マルチスリット」による回折は、個々の開口22の「単スリット」による回折に畳み込まれる結果、各開口22の中央に細く絞られた光ビームを生じさせ得る。その場合、マイクロレンズアレイ29を省略しても充分に細い光ビーム300を長距離にわたって実現できる。   Diffraction can also occur due to the periodic arrangement of a large number of apertures 22. Such diffraction by “multi-slits” is convolved with diffraction by “single slits” of the individual apertures 22, and as a result, a light beam narrowed down at the center of each aperture 22 can be generated. In that case, a sufficiently thin light beam 300 can be realized over a long distance even if the microlens array 29 is omitted.

図6は、レーザ光源10から出たレーザ光30を平行光にコリメートすることなく、空間光変調器20に入射する構成例を示している。この例では、レーザ光源10から出たレーザ光30は、光軸に垂直な断面を拡大しながら空間光変調器20に入射する。言い換えると、球面波のように波面が曲面形状を持つレーザ光30が空間光変調器20に入射する。しかし、波面の曲率半径に比べて開口22のサイズが十分に小さいため、個々の開口22には、近似的には平面波が所定の角度で入射したとして取り扱うことができる。このようなレーザ光30から形成される複数の光ビーム300は、平行ではなく、開口22の位置に応じた出射角度を示す。このため、空間光変調器20とスクリーン200との間にレンズなどの光学素子を介在させない場合は、空間光変調器20からスクリーン200までの距離が変わると、スクリーン200上に形成される像の大きさも変化する。図6の例では、空間光変調器20からスクリーン200までの距離が長くなるほど、スクリーン200上に形成される像が大きくなる。「像の大きさ」は、スクリーン200上における光ビームスポットの間隔(中心間距離)に比例する。像が大きくなっても、像を構成する光ビームスポット(画素)の個数は変化しない。この場合においても、焦点合わせは不要であり、任意の位置に置かれたスクリーン200上に「デフォーカスによるぼやけ」のない像が形成される。   FIG. 6 shows a configuration example in which the laser light 30 emitted from the laser light source 10 is incident on the spatial light modulator 20 without collimation into parallel light. In this example, the laser light 30 emitted from the laser light source 10 enters the spatial light modulator 20 while enlarging a cross section perpendicular to the optical axis. In other words, the laser light 30 having a curved wavefront like a spherical wave enters the spatial light modulator 20. However, since the size of the opening 22 is sufficiently smaller than the radius of curvature of the wavefront, it can be handled as if a plane wave is incident on each opening 22 at a predetermined angle. A plurality of light beams 300 formed from such laser light 30 are not parallel but show an emission angle corresponding to the position of the opening 22. For this reason, when an optical element such as a lens is not interposed between the spatial light modulator 20 and the screen 200, the image formed on the screen 200 changes when the distance from the spatial light modulator 20 to the screen 200 changes. The size also changes. In the example of FIG. 6, the image formed on the screen 200 becomes larger as the distance from the spatial light modulator 20 to the screen 200 becomes longer. The “image size” is proportional to the interval (center distance) between the light beam spots on the screen 200. Even if the image becomes larger, the number of light beam spots (pixels) constituting the image does not change. Even in this case, focusing is unnecessary, and an image free from “blurring due to defocus” is formed on the screen 200 placed at an arbitrary position.

ここで、図7を参照して、投射レンズ光学系を用いる従来のプロジェクタによる結像の例を説明する。図7のプロジェクタは、白色光を発するキセノンランプなどのインコヒーレント光源18と、液晶パネル250と、投射レンズ光学系550とを備えている。一次画像を表示する液晶パネル250の表面(物面)から投射レンズ光学系550までの距離をa、投射レンズ光学系550からスクリーン200までの距離(投射距離)をb、投射レンズ光学系550の焦点距離をfとするとき、1/a+1/b=1/fの関係が成立する必要がある。投影倍率Mは、M=b/aの式で決まる。このようなプロジェクタでは、投射距離bが変わったり、投影倍率Mを変えたりするたびに、投射レンズ光学系550の焦点距離fを調整しなければ、スクリーン200上にフォーカスのあった像を形成することができない。実線で示される位置にあるスクリーン200上でフォーカスがあっている場合において、スクリーン200を破線の位置に移動させると、その位置でのスクリーン200上では「デフォーカスによるぼやけ」が生じることになる。   Here, an example of imaging by a conventional projector using a projection lens optical system will be described with reference to FIG. The projector shown in FIG. 7 includes an incoherent light source 18 such as a xenon lamp that emits white light, a liquid crystal panel 250, and a projection lens optical system 550. The distance from the surface (object surface) of the liquid crystal panel 250 that displays the primary image to the projection lens optical system 550 is a, the distance from the projection lens optical system 550 to the screen 200 (projection distance) is b, and the projection lens optical system 550 When the focal length is f, the relationship 1 / a + 1 / b = 1 / f needs to be established. The projection magnification M is determined by the equation M = b / a. In such a projector, a focused image is formed on the screen 200 unless the focal length f of the projection lens optical system 550 is adjusted every time the projection distance b is changed or the projection magnification M is changed. I can't. When the focus is on the screen 200 at the position indicated by the solid line, if the screen 200 is moved to the position of the broken line, “blurring due to defocus” occurs on the screen 200 at that position.

これに対して、本開示によるプロジェクタ100では、一次画像(物面)の各点からさまざまな角度で放射された光線をスクリーン200上の対応点に集束させることなく像を形成するため、「デフォーカスによるぼやけ」が生じない。   On the other hand, the projector 100 according to the present disclosure forms an image without focusing light rays emitted from various points of the primary image (object surface) at various angles on corresponding points on the screen 200. No blur due to focus.

図8Aは、本開示によるプロジェクタ100を用いてスクリーン200にテキストデータを投影して表示している例を模式的に示す斜視図である。図8Bは、プロジェクタ100から出た光ビーム束の一部を他のスクリーン200aで遮断した状態を示す斜視図である。図8Bからわかるように、プロジェクタ100からの距離が異なる位置に置かれた2つのスクリーン200、200aの両方で焦点外れのない像が形成される。   FIG. 8A is a perspective view schematically illustrating an example in which text data is projected and displayed on the screen 200 using the projector 100 according to the present disclosure. FIG. 8B is a perspective view showing a state in which a part of the light beam bundle emitted from the projector 100 is blocked by another screen 200a. As can be seen from FIG. 8B, an image without defocusing is formed on both of the two screens 200 and 200a placed at different positions from the projector 100.

図8Cは、スクリーン200が傾斜している状態を模式的に示す。この状態では、プロジェクタ100からスクリーン200までの距離がスクリーン200の位置に応じて大きく異なる。このような場合でも、スクリーン200のどの位置においても、焦点外れのない像が形成される。   FIG. 8C schematically shows a state where the screen 200 is inclined. In this state, the distance from the projector 100 to the screen 200 varies greatly depending on the position of the screen 200. Even in such a case, an image out of focus is formed at any position on the screen 200.

図8Dは、平坦ではなく、途中で折れているスクリーン200上に像を表示する例を示す斜視図である。このようなスクリーン200の典型例は、部屋の隅で直交する壁面部分である。一般に、壁面は必ずしも平坦ではないが、凹凸、段差、または曲面が存在する物体表面をスクリーン200として用いても、そのような物体表面のどの位置においても焦点外れのない像が形成される。   FIG. 8D is a perspective view showing an example in which an image is displayed on the screen 200 that is not flat but is broken in the middle. A typical example of such a screen 200 is a wall surface portion orthogonal to the corner of the room. In general, the wall surface is not necessarily flat, but even when an object surface having unevenness, a step, or a curved surface is used as the screen 200, an image without defocusing is formed at any position on the object surface.

なお、現実には、スクリーン200に表示される文字は、プロジェクタ100からの距離が長くなるほど、大きくなるが、これらの図では、簡単のため、距離に応じて文字の大きさを変えて図示することは行っていない。   In reality, the characters displayed on the screen 200 become larger as the distance from the projector 100 becomes longer. However, in these drawings, the size of the characters is changed according to the distance for simplicity. I have not done that.

このように、本開示のプロジェクタによれば、図7に示すような従来のプロジェクタでは投影できない形状を持つ物体にも明瞭な像を形成することができ、プロジェクションマッピングも実現できる。また、本開示のプロジェクタは、1本または数本のレーザビームでスクリーン上を高速に走査する方式ではなく、多数の光ビームで同時にスクリーンなどの物体を照射する方式である。このため、個々の光ビームの強度が人の目にとっても安全なレベルに低く抑えられていてもスクリーンなどの物体に表示される像の明るさを十分に高めることができる。光ビームのパワーが分散されていることにより、例えば、投影画像が表示されているスクリーンの手前にいる人間が、プロジェクタの方向を向いてしまって何本かの光ビームが顔に当たった場合でも、瞳から入るレーザ光による悪影響を心配する必要はほとんどない。   As described above, according to the projector of the present disclosure, a clear image can be formed even on an object having a shape that cannot be projected by the conventional projector as shown in FIG. 7, and projection mapping can also be realized. The projector according to the present disclosure is not a method of scanning a screen at a high speed with one or several laser beams, but a method of simultaneously irradiating an object such as a screen with a large number of light beams. For this reason, the brightness of an image displayed on an object such as a screen can be sufficiently increased even if the intensity of each light beam is suppressed to a level that is safe for human eyes. Because the power of the light beam is distributed, for example, even if a person in front of the screen on which the projected image is displayed faces the direction of the projector and some light beams hit the face There is almost no need to worry about the adverse effects of laser light entering through the pupil.

(実施形態)
以下、本開示のプロジェクタの実施形態を説明する。必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。本発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供する。これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
(Embodiment)
Hereinafter, embodiments of the projector of the present disclosure will be described. A more detailed description than necessary may be omitted. For example, detailed descriptions of already well-known matters and repeated descriptions for substantially the same configuration may be omitted. This is to avoid the following description from becoming unnecessarily redundant and to facilitate understanding by those skilled in the art. The inventors provide the accompanying drawings and the following description to enable those skilled in the art to fully understand the present disclosure. They are not intended to limit the claimed subject matter.

図9は、本開示の限定的ではない例示的な実施形態におけるプロジェクタ100の構成例を模式的に示す断面図である。このプロジェクタ100は、スクリーン200などの物体に像を投影するプロジェクタであって、像を規定する二次元パターンを形成する透過型の空間光変調器20と、空間光変調器20をレーザ光で照射するレーザ光源10とを備えている。レーザ光源10にはレーザドライバ60から駆動電流が流れ、レーザ光源10のレーザ発振状態が制御される。空間光変調器20はSLMドライバ70によって駆動される。レーザドライバ60およびSLMドライバ70は、マイクロコントローラなどのコンピュータ(不図示)によって制御される。SLMドライバ70の一部または全部は、空間光変調器20に搭載された駆動ICによって実現されていてもよい。   FIG. 9 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration example of the projector 100 according to a non-limiting exemplary embodiment of the present disclosure. The projector 100 is a projector that projects an image onto an object such as a screen 200, and irradiates the spatial light modulator 20 with a laser beam and a transmissive spatial light modulator 20 that forms a two-dimensional pattern that defines the image. The laser light source 10 is provided. A driving current flows from the laser driver 60 to the laser light source 10 to control the laser oscillation state of the laser light source 10. The spatial light modulator 20 is driven by the SLM driver 70. The laser driver 60 and the SLM driver 70 are controlled by a computer (not shown) such as a microcontroller. A part or all of the SLM driver 70 may be realized by a driving IC mounted on the spatial light modulator 20.

本実施形態におけるプロジェクタ100は、ビーム成形レンズ40と、投影倍率調整レンズ50とを備えている。この例におけるビーム成形レンズ40は、凹レンズ40aおよび凸レンズ40bを有している。図示されているレンズは、分かり易さのため、例示的な形状を持つ要素として記載されており、現実のレンズの形状および大きさを表していない。投影倍率調整レンズ50は、図では1枚の単レンズであるが、現実には、1枚または一群の各種レンズを含む「組み合わせレンズ」であり得る。ビーム成形レンズ40も、同様に、他の形態の「組み合わせレンズ」であってもよいし、単レンズであってもよい。   The projector 100 according to this embodiment includes a beam shaping lens 40 and a projection magnification adjustment lens 50. The beam shaping lens 40 in this example has a concave lens 40a and a convex lens 40b. The illustrated lens is described as an element having an exemplary shape for the sake of clarity, and does not represent the actual shape and size of the lens. Although the projection magnification adjusting lens 50 is a single lens in the drawing, it may actually be a “combination lens” including one or a group of various lenses. Similarly, the beam shaping lens 40 may be another form of “combination lens” or a single lens.

投影倍率調整レンズ50は、各光ビーム300の進行方向を調整することにより、スクリーン200上の照射点(光ビームスポット)の配列間隔を拡大したり、縮小したりする。この動作は、図7の投射レンズ光学系550による結像とは異なり、スクリーン200上にフォーカスを合わせる作業を必要としない。   The projection magnification adjustment lens 50 adjusts the traveling direction of each light beam 300 to enlarge or reduce the arrangement interval of irradiation points (light beam spots) on the screen 200. Unlike the image formation by the projection lens optical system 550 shown in FIG. 7, this operation does not require a work for focusing on the screen 200.

スクリーン200には、投影画像の輝度を高くするために、微細なフレネルレンズまたはレンチキュラーレンズとして機能する凹凸が形成されていても良い。スクリーン200は、反射率の高い生地(シルクスクリーンなど)から形成されていてもよいし、拡散反射性の高い生地(マットスクリーンなど)から形成されていてもよい。前者の場合、投影画像の輝度を高くすることができ、後者の場合、広い視野角を実現することができる。   The screen 200 may be provided with irregularities that function as fine Fresnel lenses or lenticular lenses in order to increase the brightness of the projected image. The screen 200 may be formed from a highly reflective fabric (such as a silk screen), or may be formed from a highly diffuse reflective fabric (such as a mat screen). In the former case, the brightness of the projected image can be increased, and in the latter case, a wide viewing angle can be realized.

図1を参照しながら説明したように、本実施形態でも、レーザ光源10から放射されたレーザ光30は、凹レンズ40aおよび凸レンズ40bを構成要素として含むビーム成形レンズ40によって成形され、空間光変調器20の背面側に入射する。なお、本願における「ビーム成形」の用語は、レーザ光30の光軸方向に直交する断面の形状および大きさの少なくとも一方を変化させることを意味するものとする。断面の形状は、光ビーム300の上記断面における強度分布によって規定される。例えば、断面中心における最高強度値を基準値として、その基準値の半分の強度を持つ部分よって断面の境界を規定しても良い。   As described with reference to FIG. 1, also in this embodiment, the laser light 30 emitted from the laser light source 10 is shaped by the beam shaping lens 40 including the concave lens 40 a and the convex lens 40 b as components, and the spatial light modulator. 20 is incident on the back side. Note that the term “beam shaping” in the present application means that at least one of the shape and size of a cross section perpendicular to the optical axis direction of the laser light 30 is changed. The shape of the cross section is defined by the intensity distribution in the cross section of the light beam 300. For example, the maximum intensity value at the center of the cross section may be used as a reference value, and the boundary of the cross section may be defined by a portion having half the intensity of the reference value.

図10は、本実施形態における空間光変調器20の概略構成の例を模式的に示す断面図である。この空間光変調器20は、液晶層21を封止した一対の透明基板23a、23bと、透明基板23a上にマトリクス状に配列された複数の画素電極24と、透明基板23b上の対向電極25とを備える液晶パネルである。透明基板23a、23bは、ガラスまたは合成樹脂から形成され得る。画素電極24および対向電極25は、いずれも、レーザ光30を透過する透明導電材料から形成されている。これらの電極24、25の表面は不図示の配向膜で覆われており、液晶層21における液晶分子の配向を所望の方向に規制している。液晶層21は、例えば、ねじれ配向が生じるように配向が規制されたネマティック液晶(TN液晶)から形成されている。また、必要に応じて、空間光変調器20はカラーフィルタアレイ26を備えていてもよい。赤(R)、緑(G)、青(B)の三原色に相当する各波長域のレーザ光を多重化した「白色」のレーザ光30で空間光変調器20を照射する場合、カラーフィルタアレイ26によって画素ごとに異なる波長の光ビーム300を出射することができる。例えば、図2において隣接する3個の開口、例えば開口22a、22b、22cが、それぞれ、赤色、緑色、青色のカラーフィルタでカバーされ得る。なお、開口22以外の領域には、遮光性を有するブラックマトリクスが形成されていても良い。カラー画像の表示の詳細については、後述する。まずは、簡単のため、単色光の画像表示の例を説明する。   FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing an example of a schematic configuration of the spatial light modulator 20 in the present embodiment. The spatial light modulator 20 includes a pair of transparent substrates 23a and 23b in which a liquid crystal layer 21 is sealed, a plurality of pixel electrodes 24 arranged in a matrix on the transparent substrate 23a, and a counter electrode 25 on the transparent substrate 23b. And a liquid crystal panel. The transparent substrates 23a and 23b can be formed of glass or synthetic resin. Both the pixel electrode 24 and the counter electrode 25 are made of a transparent conductive material that transmits the laser beam 30. The surfaces of these electrodes 24 and 25 are covered with an alignment film (not shown), and the alignment of liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 21 is regulated in a desired direction. The liquid crystal layer 21 is formed of, for example, nematic liquid crystal (TN liquid crystal) whose alignment is regulated so that twisted alignment occurs. Further, the spatial light modulator 20 may include a color filter array 26 as necessary. When irradiating the spatial light modulator 20 with a “white” laser beam 30 in which laser beams in respective wavelength ranges corresponding to the three primary colors of red (R), green (G), and blue (B) are multiplexed, a color filter array 26 can emit light beams 300 having different wavelengths for each pixel. For example, three adjacent openings in FIG. 2, such as openings 22a, 22b, and 22c, can be covered with red, green, and blue color filters, respectively. A black matrix having a light shielding property may be formed in a region other than the opening 22. Details of the color image display will be described later. First, for simplicity, an example of monochromatic light image display will be described.

図10に示される空間光変調器20は、透明基板23aの光入射側に設けられた第1の偏光フィルム28aと透明基板23bの光出射側に設けられた第2の偏光フィルム28bとを備える。ある態様において、第1の偏光フィルム28aの偏光透過軸と第2の偏光フィルム28bの偏光透過軸とが直交し、クロスニコル配置を構成している。不図示のトランジスタおよび配線が透明基板23aに形成されている。SLMドライバ70により、トランジスタがスイッチングされ、液晶層21に印加される電圧が画素領域単位で制御される。この例によると、画素電極24と対向電極25との間に電圧が印加されていない画素では、レーザ光30が液晶層21を通過する過程で偏光方向が回転し(偏光状態が変化し)、第2の偏光フィルム28bを透過することができる(ノーマリオン動作)。一方、画素電極24と対向電極25との間に電圧が印加されている画素では、レーザ光30が液晶層21を通過する過程で偏光方向が維持されるため、第2の偏光フィルム28bでカットされることになる。なお、第1の偏光フィルム28aの偏光透過軸と第2の偏光フィルム28bの偏光透過軸とが平行であれば、上記と反対の動作が行われる(ノーマリオフ動作)。こうして、個々の画素領域が空間光変調器20の個々の開口22として機能する。そして、各開口22の光透過率は、個々の画素電極24と対向電極25との間に印加される電圧によってアナログ的に調整され得る。   The spatial light modulator 20 shown in FIG. 10 includes a first polarizing film 28a provided on the light incident side of the transparent substrate 23a and a second polarizing film 28b provided on the light emitting side of the transparent substrate 23b. . In one embodiment, the polarization transmission axis of the first polarizing film 28a and the polarization transmission axis of the second polarizing film 28b are orthogonal to each other to form a crossed Nicols arrangement. Transistors and wiring (not shown) are formed on the transparent substrate 23a. The transistor is switched by the SLM driver 70, and the voltage applied to the liquid crystal layer 21 is controlled in units of pixel regions. According to this example, in a pixel to which no voltage is applied between the pixel electrode 24 and the counter electrode 25, the polarization direction is rotated (the polarization state changes) in the process in which the laser light 30 passes through the liquid crystal layer 21. It can be transmitted through the second polarizing film 28b (normally on operation). On the other hand, in the pixel to which a voltage is applied between the pixel electrode 24 and the counter electrode 25, the polarization direction is maintained in the process in which the laser light 30 passes through the liquid crystal layer 21. Will be. If the polarization transmission axis of the first polarizing film 28a and the polarization transmission axis of the second polarizing film 28b are parallel, the operation opposite to the above is performed (normally off operation). Thus, individual pixel regions function as individual openings 22 of the spatial light modulator 20. The light transmittance of each opening 22 can be adjusted in an analog manner by a voltage applied between each pixel electrode 24 and the counter electrode 25.

なお、レーザ光源10から放射されるレーザ光30は、通常、所定の方向に直線的に偏光している。例えば、端面発光型の半導体レーザ素子をレーザ光源10として用いる場合、一般的に、半導体レーザ素子の活性層に平行な方向に偏光している。そのため、第1の偏光フィルム28aによる不要な減光を避けるため、レーザ光30の直線偏光方向と、第1の偏光フィルム28aの偏光透過軸とを一致させることが好ましい。   Note that the laser light 30 emitted from the laser light source 10 is usually linearly polarized in a predetermined direction. For example, when an edge-emitting semiconductor laser element is used as the laser light source 10, it is generally polarized in a direction parallel to the active layer of the semiconductor laser element. Therefore, in order to avoid unnecessary dimming by the first polarizing film 28a, it is preferable to match the linear polarization direction of the laser light 30 with the polarization transmission axis of the first polarizing film 28a.

さらに、レーザ光30が直線偏光であることを積極的に利用して、第1の偏光フィルム28aを省略しても良い。第1の偏光フィルム28aがなくても、直線偏光したレーザ光30を空間光変調器20に入射することができる。第1の偏光フィルム28aを省略することによって、光入射側の偏光フィルム28aによるレーザ光30の吸収を排除することができる。レーザ光の偏光方向と偏光フィルムの偏光透過軸とを一致させた場合でも、レーザ光の1〜5%程度は偏光フィルムによって吸収されるため、減光が生じてしまうが、第1の偏光フィルム28aを省略することにより、より効率的にレーザ光30を利用することができるようになる。また、第1の偏光フィルム28aを省略することにより、部品および製造のコストを低減できるとともに、空間光変調素子20の薄型化に寄与することもできる。特に超小型化された空間光変調器20を用いて携帯型のプロジェクタを製造する場合、例えば0.2mm程度の厚さを有する偏光フィルムであっても不要になることは重要な利点である。   Further, the first polarizing film 28a may be omitted by positively utilizing that the laser beam 30 is linearly polarized light. Even without the first polarizing film 28 a, the linearly polarized laser beam 30 can be incident on the spatial light modulator 20. By omitting the first polarizing film 28a, the absorption of the laser light 30 by the polarizing film 28a on the light incident side can be eliminated. Even when the polarization direction of the laser light and the polarization transmission axis of the polarizing film are matched, about 1 to 5% of the laser light is absorbed by the polarizing film, and thus the light is reduced. However, the first polarizing film By omitting 28a, the laser beam 30 can be used more efficiently. Further, by omitting the first polarizing film 28a, it is possible to reduce the cost of parts and manufacturing, and to contribute to the thinning of the spatial light modulation element 20. In particular, when a portable projector is manufactured using the miniaturized spatial light modulator 20, it is an important advantage that a polarizing film having a thickness of, for example, about 0.2 mm becomes unnecessary.

上記のTN液晶を用いる液晶パネルで実現した空間光変調器20では、空間光変調器20に入射するレーザ光30の偏光方向と、光出射側における第2の偏光フィルム28bの偏光透過軸とが互いに直交または平行になるように調整される。ただし、表示画像のコントラストの観点からすると、レーザ光30の偏光方向に対して、第2の偏光フィルム28bの偏光透過軸が直交するように配置することが好ましい。このような構成とすることによって、いわゆる黒浮きのない高コントラストな画像表示が実現できる。   In the spatial light modulator 20 realized by the liquid crystal panel using the TN liquid crystal, the polarization direction of the laser light 30 incident on the spatial light modulator 20 and the polarization transmission axis of the second polarizing film 28b on the light emission side are as follows. They are adjusted to be orthogonal or parallel to each other. However, from the viewpoint of the contrast of the display image, it is preferable that the polarization transmission axis of the second polarizing film 28b is orthogonal to the polarization direction of the laser light 30. By adopting such a configuration, a high-contrast image display without so-called black float can be realized.

空間光変調器20の構造は、上記の例に限定されない。液晶パネルには、他にインプレイン・スイッチング型、垂直配向型などの多様な種類があり、任意の種類の液晶パネルを採用することができる。また、液晶パネルの代わりに、画像が描かれたスライドや、試料を固定したプレパラートを空間光変調器20として用いることも可能である。このような空間光変調器20は静止画を表示するときに使用され得る。空間光変調器20を交換可能に保持する機構を採用することにより、多数の空間光変調器20の中から必要に応じた空間光変調器20を選択して光路に配置することも可能である。   The structure of the spatial light modulator 20 is not limited to the above example. There are various types of liquid crystal panels such as an in-plane switching type and a vertical alignment type, and any type of liquid crystal panel can be adopted. Further, instead of the liquid crystal panel, a slide on which an image is drawn or a preparation on which a sample is fixed can be used as the spatial light modulator 20. Such a spatial light modulator 20 can be used when displaying a still image. By adopting a mechanism for holding the spatial light modulator 20 in a replaceable manner, it is possible to select a spatial light modulator 20 as necessary from a large number of spatial light modulators 20 and arrange it on the optical path. .

図11は、白い矢印の方向から観察者がスクリーン200を見る形態、例えばリアプロジェクションタイプのTVセットの構成例を示す図である。基本的な構成は、図9に示すプロジェクタ100と同一である。図11の例では、スクリーン200に投影された像を、スクリーン200に関してプロジェクタ100とは反対側に位置する観察者が見る。プロジェクタ100の光軸(Z軸)に対してスクリーン200は、直交せず、大きく傾斜しているが、デフォーカスによるぼやけは生じない。ただし、投射距離に応じてスクリーン200の光ビームスポット(画素)の間隔が変化しないように投影倍率調整レンズ50に光ビーム300の光軸の向きをそれぞれ調整する機能を付与すればよい。あるいは、スクリーン200の光ビームスポット(画素)の間隔が変化しても表示画像が歪まないように、空間光変調器20に形成する二次元パターンを前もって変形しておいてもよい。そのような変形は、SLMドライバ70に与える画像信号を不図示のコンピュータによって補正することによって行うことができる。   FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration example of a configuration in which an observer views the screen 200 from the direction of a white arrow, for example, a rear projection type TV set. The basic configuration is the same as projector 100 shown in FIG. In the example of FIG. 11, an image projected on the screen 200 is viewed by an observer located on the opposite side of the projector 100 from the screen 200. Although the screen 200 is not orthogonal to the optical axis (Z axis) of the projector 100 and is largely inclined, blurring due to defocus does not occur. However, a function of adjusting the direction of the optical axis of the light beam 300 may be added to the projection magnification adjustment lens 50 so that the distance between the light beam spots (pixels) on the screen 200 does not change according to the projection distance. Alternatively, the two-dimensional pattern formed on the spatial light modulator 20 may be deformed in advance so that the display image is not distorted even if the interval between the light beam spots (pixels) on the screen 200 changes. Such deformation can be performed by correcting an image signal supplied to the SLM driver 70 by a computer (not shown).

なお、プロジェクタ100とスクリーン200との間にミラーが配置されていてもよい。そのようなミラーにより、プロジェクタ100の向きの自由度が高められ、よりコンパクトな筐体を持つTVセットを実現できる。   A mirror may be disposed between the projector 100 and the screen 200. With such a mirror, the degree of freedom of the orientation of the projector 100 is increased, and a TV set having a more compact housing can be realized.

図12は、更に他の実施形態におけるプロジェクタ100の構成例を示す断面図である。この実施形態におけるプロジェクタ100は、空間光変調器20とスクリーン200との間に配置された凸レンズ50bを投影倍率調整レンズとして備えており、この凸レンズ50bにより、像を拡大する。   FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a projector 100 according to still another embodiment. The projector 100 according to this embodiment includes a convex lens 50b disposed between the spatial light modulator 20 and the screen 200 as a projection magnification adjustment lens, and the convex lens 50b enlarges an image.

図13は、更に他の実施形態におけるプロジェクタ100の構成例を示す断面図である。この実施形態におけるプロジェクタ100は、空間光変調器20とスクリーン200との間に倍率拡大レンズを備えていない。その代り、レーザ光源10と空間光変調器20との間に配置された凹レンズ40aを用いて像を拡大することができる。この実施形態では、凹レンズ40aを透過したレーザ光30が平面波ではなく球面波の状態で空間光変調器20に入射し、空間的に強度が変調される。空間光変調器20から出たレーザビーム300の束は、拡がりながら空間を伝搬し、スクリーン200に入射する。   FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a projector 100 according to still another embodiment. The projector 100 in this embodiment does not include a magnification magnifying lens between the spatial light modulator 20 and the screen 200. Instead, the image can be magnified using a concave lens 40 a disposed between the laser light source 10 and the spatial light modulator 20. In this embodiment, the laser light 30 transmitted through the concave lens 40a is incident on the spatial light modulator 20 in a spherical wave state instead of a plane wave, and the intensity is spatially modulated. The bundle of laser beams 300 emitted from the spatial light modulator 20 propagates through the space while spreading and enters the screen 200.

図14は、更に他の実施形態におけるプロジェクタ100の構成例を示す断面図である。この実施形態におけるプロジェクタ100と図13のプロジェクタ100との相違点は、本実施形態において、レーザ光源10と空間光変調器20との間に配置されたレンズが凸レンズ40bである点にある。凸レンズ40bを用いても像を拡大することができる。   FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a projector 100 according to still another embodiment. The difference between the projector 100 in this embodiment and the projector 100 in FIG. 13 is that in this embodiment, the lens disposed between the laser light source 10 and the spatial light modulator 20 is a convex lens 40b. The image can also be enlarged using the convex lens 40b.

図15は、更に他の実施形態におけるプロジェクタ100の構成例を示す断面図である。この実施形態におけるプロジェクタ100は、空間光変調器20とスクリーン200との間に倍率拡大レンズを備えていないし、レーザ光源10と空間光変調器20との間に配置されたレンズも備えていない。この実施形態では、レーザ光源10から出たレーザ光30がレンズを介することなく拡大し、空間光変調器20に入射する。空間光変調器20から出たレーザビーム300の束も、そのまま拡がってスクリーン200に達する。   FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a projector 100 according to still another embodiment. The projector 100 in this embodiment does not include a magnification magnification lens between the spatial light modulator 20 and the screen 200, and does not include a lens disposed between the laser light source 10 and the spatial light modulator 20. In this embodiment, the laser light 30 emitted from the laser light source 10 expands without passing through a lens and enters the spatial light modulator 20. The bundle of laser beams 300 emitted from the spatial light modulator 20 also spreads and reaches the screen 200 as it is.

レーザ光源10から出たレーザ光30がレンズを介することなく拡大する原理については後述する。なお、図15の構成を採用する場合においても、光路上にビーム成形または光強度分布の調整を目的として、レンズ、ミラー、絞りなどの光学素子を適宜配置してもよい。また、レーザ光のスペックルを低減する機構を適宜設けても良い。これらの改変は、他の実施形態でも同様に行ってよい。   The principle of expanding the laser light 30 emitted from the laser light source 10 without using a lens will be described later. Even when the configuration of FIG. 15 is adopted, optical elements such as lenses, mirrors, and diaphragms may be appropriately arranged on the optical path for the purpose of beam shaping or adjustment of light intensity distribution. Further, a mechanism for reducing speckle of laser light may be provided as appropriate. These modifications may be made in other embodiments as well.

図16は、更に他の実施形態におけるプロジェクタ100の構成例を示す断面図である。この実施形態では、ミラー80を光路上に配置することにより、プロジェクタ100のZ軸方向を短縮することが可能になる。   FIG. 16 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a projector 100 according to still another embodiment. In this embodiment, by arranging the mirror 80 on the optical path, the Z-axis direction of the projector 100 can be shortened.

上記の各実施形態では、プロジェクタ100が単一のレーザ光源10を備えているが、プロジェクタ100は、レーザ光源10として、複数のレーザ素子を備えていてもよい。複数のレーザ素子が異なる波長で発振して異なる色のレーザ光を発すれば、カラーの静止画または動画を表示することが可能になる。   In each of the above embodiments, the projector 100 includes the single laser light source 10, but the projector 100 may include a plurality of laser elements as the laser light source 10. If a plurality of laser elements oscillate at different wavelengths and emit laser beams of different colors, a color still image or moving image can be displayed.

フルカラー画像を表示するには、以下の構成を採用すればよい。   In order to display a full color image, the following configuration may be employed.

構成(1) カラーフィルタアレイを備える液晶パネルを空間光変調器として採用し、赤色、緑色、および青色のレーザ光で空間光変調器を照射する。
構成(2) カラーフィルタアレイを備えていない液晶パネルを空間光変調器として採用し、赤色、緑色、および青色のレーザ光で空間光変調器を順次照射する(フィールドシーケンシャル方式)。
構成(3) カラーフィルタアレイを備えていない3枚の液晶パネルを空間光変調器として採用し、それぞれの空間光変調器を赤色、緑色、および青色のレーザ光で照射する(3板式)。
Configuration (1) A liquid crystal panel including a color filter array is employed as a spatial light modulator, and the spatial light modulator is irradiated with red, green, and blue laser beams.
Configuration (2) A liquid crystal panel that does not include a color filter array is employed as a spatial light modulator, and the spatial light modulator is sequentially irradiated with red, green, and blue laser beams (field sequential method).
Configuration (3) Three liquid crystal panels not provided with a color filter array are employed as spatial light modulators, and each of the spatial light modulators is irradiated with red, green, and blue laser beams (three-plate type).

まず、図17を参照しながら、構成(1)の例を説明する。   First, an example of the configuration (1) will be described with reference to FIG.

構成(1)のプロジェクタ100は、レーザ光源として、第1の波長域で発振する第1のレーザ素子10Rと、第2の波長域で発振する第2のレーザ素子10Gと、第3の波長域で発振する第3のレーザ素子10Bとを含む。ここでは、第1の波長域、第2の波長域、および第3の波長域は、それぞれ、R(レッド)、G(グリーン)、およびB(ブルー)である。第1のレーザ素子10R、第2のレーザ素子10G、および第3のレーザ素子10Bは、それぞれ、例えば波長650nmの赤色半導体レーザ素子、波長515〜530nmの緑色半導体レーザ素子、および波長450nmの青色半導体レーザ素子であり得る。赤色半導体レーザ素子としては、例えばAlGaInP系レーザダイオードが好適に用いられる。緑色および青色半導体レーザ素子としては、それぞれ、組成が異なるGaN系レーザダイオードを用いることができる。第2のレーザ素子10Gとしては、赤外光を放射する半導体レーザ素子と波長変換素子とを備えるDPSS(Diode Pumped Solid State)レーザ装置を用いてもよい。赤外光半導体レーザ素子で発生させた波長808nmの赤外光で例えばNd:YVO4結晶、またはYb:YAG結晶などのレーザ結晶を励起し、例えば波長1064nmの赤外レーザ光を生成する。この赤外レーザ光をKTP(KTiOPO4)結晶などの非線形光学結晶に入射させると、第2高調波である波長532nmの緑色レーザ光を発生させることができる。The projector 100 having the configuration (1) includes, as a laser light source, a first laser element 10R that oscillates in a first wavelength range, a second laser element 10G that oscillates in a second wavelength range, and a third wavelength range. And a third laser element 10B that oscillates. Here, the first wavelength range, the second wavelength range, and the third wavelength range are R (red), G (green), and B (blue), respectively. The first laser element 10R, the second laser element 10G, and the third laser element 10B are, for example, a red semiconductor laser element having a wavelength of 650 nm, a green semiconductor laser element having a wavelength of 515 to 530 nm, and a blue semiconductor having a wavelength of 450 nm, respectively. It can be a laser element. As the red semiconductor laser element, for example, an AlGaInP laser diode is preferably used. As the green and blue semiconductor laser elements, GaN laser diodes having different compositions can be used. As the second laser element 10G, a DPSS (Diode Pumped Solid State) laser apparatus including a semiconductor laser element that emits infrared light and a wavelength conversion element may be used. A laser crystal such as an Nd: YVO 4 crystal or a Yb: YAG crystal is excited by infrared light having a wavelength of 808 nm generated by an infrared light semiconductor laser element, and infrared laser light having a wavelength of 1064 nm, for example, is generated. When this infrared laser beam is incident on a nonlinear optical crystal such as a KTP (KTiOPO 4 ) crystal, a green laser beam having a wavelength of 532 nm, which is the second harmonic, can be generated.

図17のプロジェクタ100は、ダイクロイックプリズム82を備えている。ダイクロイックプリズム82は、赤色の光を選択的に反射する赤色反射面82Rと、青色の光を選択的に反射する青色反射面82Bとを有する。ダイクロイックプリズム82を用いることにより、赤色レーザ光30Rと青色レーザ光30Bは赤色反射面82Rと青色反射面82Bで反射され、また、緑色レーザ光30Gはそのまま透過して、3色のレーザ光が合成されて白色のレーザ光30が得られる。なお、ダイクロイックプリズム82を用いる代わりに、赤色反射ダイクロイックミラーと青色反射ダイクロイックミラーとを用いて、赤、青、緑色のレーザ光30R、30G、30Bを合成してもよい。   The projector 100 in FIG. 17 includes a dichroic prism 82. The dichroic prism 82 has a red reflecting surface 82R that selectively reflects red light and a blue reflecting surface 82B that selectively reflects blue light. By using the dichroic prism 82, the red laser beam 30R and the blue laser beam 30B are reflected by the red reflecting surface 82R and the blue reflecting surface 82B, and the green laser beam 30G is transmitted as it is to synthesize the three color laser beams. Thus, white laser light 30 is obtained. Instead of using the dichroic prism 82, the red, blue, and green laser beams 30R, 30G, and 30B may be combined using a red reflecting dichroic mirror and a blue reflecting dichroic mirror.

合成された白色のレーザ光30が、空間光変調器20のカラーフィルタアレイにおける赤色フィルタに入射すると、赤色のレーザ光のみが赤色フィルタを選択的に透過することができる。同様に、緑色フィルタに入射すると、緑色のレーザ光のみが緑色フィルタを選択的に透過することができ、青色フィルタに入射すると、青色のレーザ光のみが青色フィルタを選択的に透過することができる。   When the synthesized white laser light 30 enters the red filter in the color filter array of the spatial light modulator 20, only the red laser light can selectively pass through the red filter. Similarly, when entering the green filter, only the green laser light can selectively pass through the green filter, and when entering the blue filter, only the blue laser light can selectively pass through the blue filter. .

なお、ダイクロイックプリズム82で合成された白色のレーザ光が所定の色温度を示すようにカラーバランスを行う。カラーバランスは、レーザドライバ60によって各レーザ光源10R、10G、10Bの光出力パワーを調整して実現することができる。あるいは、レーザ光30R、30G、30Bを減光するためのND(ニュートラル・デンシティ)フィルタを必要に応じて光路上に配置してもよい。また、各レーザ光源10R、10G、10Bの光出力パワーを調整する方法として、レーザ発振のパルス幅変調を行い、色ごとにデューティ比を調整してもよい。この方法を採用する場合、空間光変調器20を照射するレーザ光30は、厳密には、常に白色であるとはいえず、赤、緑、青色のレーザ光30R、30G、30Bのいずれか1つまたは2つだけが空間光変調器20に入射している期間が存在してもよい。重要な点は、人間の目にとって自然なフルカラー画像が観察されることである。   Note that the color balance is performed so that the white laser light synthesized by the dichroic prism 82 exhibits a predetermined color temperature. The color balance can be realized by adjusting the light output power of each of the laser light sources 10R, 10G, and 10B by the laser driver 60. Or you may arrange | position the ND (neutral density) filter for dimming laser beam 30R, 30G, 30B on an optical path as needed. Further, as a method of adjusting the light output power of each of the laser light sources 10R, 10G, and 10B, pulse width modulation of laser oscillation may be performed to adjust the duty ratio for each color. When this method is adopted, strictly speaking, the laser light 30 that irradiates the spatial light modulator 20 is not always white, and any one of the red, green, and blue laser lights 30R, 30G, and 30B. There may be a period in which only one or two are incident on the spatial light modulator 20. The important point is that a full color image that is natural to the human eye is observed.

なお、レーザ光は、LEDや蛍光体から放射された光とは異なり、単色性に極めて優れている。このため、赤、青、緑色のレーザ光30R、30G、30Bを合成して形成される「白色」のレーザ光30は、白色LEDから放射された光のようにブロードなスペクトルを持たず、3つの波長で鋭いピークを示す。「白色」のレーザ光30が入射した各色のカラーフィルタは、3つの波長のうちの1つの波長のレーザ光を選択的に透過するため、空間光変調素子20から出射された光ビーム300もそれぞれ鋭いピークを持つ。従って、本開示のプロジェクタでは、カラーフィルタアレイを持つ液晶パネルを採用しても、高輝度放電ランプやLEDを用いた従来のプロジェクタに比べて、色域が拡大する。   Note that laser light is extremely excellent in monochromaticity unlike light emitted from an LED or a phosphor. Therefore, the “white” laser beam 30 formed by combining the red, blue, and green laser beams 30R, 30G, and 30B does not have a broad spectrum like the light emitted from the white LED. Shows sharp peaks at one wavelength. Since the color filters of the respective colors on which the “white” laser light 30 is incident selectively transmit the laser light having one of the three wavelengths, the light beam 300 emitted from the spatial light modulation element 20 is also provided. Has a sharp peak. Therefore, in the projector of the present disclosure, even if a liquid crystal panel having a color filter array is employed, the color gamut is expanded as compared with a conventional projector using a high-intensity discharge lamp or LED.

次に、図18A、図18B、図18C、および図19を参照しながら、構成(2)の例を説明する。構成(2)はフィールドシーケンシャル方式を実現する。   Next, an example of the configuration (2) will be described with reference to FIGS. 18A, 18B, 18C, and 19. Configuration (2) implements a field sequential method.

基本的な構成は、図17のプロジェクタ100の構成と同様である。異なる点の1つは、本構成における空間光変調器20がカラーフィルタアレイを備えていない点にある。   The basic configuration is the same as that of the projector 100 in FIG. One of the differences is that the spatial light modulator 20 in this configuration does not include a color filter array.

まず、図18Aを参照する。図示されている状態において、第1のレーザ素子10Rから赤色のレーザ光30Rが放射されているが、第2および第3のレーザ素子10G、10Bからレーザ光は放射されていない。第1のレーザ素子10Rから放射された赤色のレーザ光30Rは、ダイクロイックプリズム82の赤色反射面82Rで反射されて空間光変調器20を照射する。赤色のレーザ光30Rは空間的に変調され、赤色の光ビーム300Rの束が形成される。この赤色の光ビーム300Rの束によってサブフレーム画像が形成される。   First, refer to FIG. 18A. In the state shown in the figure, red laser light 30R is emitted from the first laser element 10R, but no laser light is emitted from the second and third laser elements 10G and 10B. The red laser light 30R emitted from the first laser element 10R is reflected by the red reflecting surface 82R of the dichroic prism 82 and irradiates the spatial light modulator 20. The red laser beam 30R is spatially modulated to form a bundle of red light beams 300R. A sub-frame image is formed by the bundle of red light beams 300R.

次に、図18Bを参照する。図示されている状態において、第2のレーザ素子10Gから緑色のレーザ光30Gが放射されているが、第1および第3のレーザ素子10R、10Bからレーザ光は放射されていない。第2のレーザ素子10Gから放射された緑色のレーザ光30Gは、ダイクロイックプリズム82の赤色反射面82Rおよび青色反射面82Bを透過して空間光変調器20を照射する。緑色のレーザ光30Gは空間的に変調され、緑色の光ビーム300Gの束が形成される。この緑色の光ビーム300Gの束によって他のサブフレーム画像が形成される。   Reference is now made to FIG. In the state shown in the drawing, the green laser light 30G is emitted from the second laser element 10G, but no laser light is emitted from the first and third laser elements 10R and 10B. The green laser light 30G emitted from the second laser element 10G passes through the red reflecting surface 82R and the blue reflecting surface 82B of the dichroic prism 82 and irradiates the spatial light modulator 20. The green laser beam 30G is spatially modulated to form a bundle of green light beams 300G. Another sub-frame image is formed by the bundle of green light beams 300G.

次に、図18Cを参照する。図示されている状態において、第3のレーザ素子10Bから青色のレーザ光30Bが放射されているが、第1および第2のレーザ素子10R、10Gからレーザ光は放射されていない。第3のレーザ素子10Bから放射された青色のレーザ光30Bは、ダイクロイックプリズム82の青色反射面82Bで反射されて空間光変調器20を照射する。青色のレーザ光30Bは空間的に変調され、青色の光ビーム300Bの束が形成される。この青色の光ビーム300Bの束によって更に他のサブフレーム画像が形成される。   Reference is now made to FIG. In the state shown in the drawing, the blue laser light 30B is emitted from the third laser element 10B, but the laser light is not emitted from the first and second laser elements 10R and 10G. The blue laser light 30 </ b> B emitted from the third laser element 10 </ b> B is reflected by the blue reflecting surface 82 </ b> B of the dichroic prism 82 and irradiates the spatial light modulator 20. The blue laser beam 30B is spatially modulated to form a bundle of blue light beams 300B. Still another sub-frame image is formed by the bundle of the blue light beams 300B.

上記の動作が順次繰り返して行われる。図19は、レーザ光源10R、10G、10Bの点灯状態を模式的に示す図である。図19における「R」、「G」、「B」の文字をそれぞれ囲む矩形は、レーザ光源10R、10G、10Bがレーザ発振をしてレーザ光を放射している期間を示している。図19に示されるように、レーザ光源10R、10G、10Bは、それぞれ、周期的に点灯状態と非点灯状態とを繰り返す。赤色、緑色、青色の3枚のサブフレームから1フレームのフルカラー画像が構成される。レーザ光源10R、10G、10Bの点灯時間は、それぞれ、異なっていてもよい。   The above operations are repeated sequentially. FIG. 19 is a diagram schematically showing the lighting states of the laser light sources 10R, 10G, and 10B. In FIG. 19, rectangles enclosing the characters “R”, “G”, and “B” indicate periods in which the laser light sources 10R, 10G, and 10B oscillate and emit laser light. As shown in FIG. 19, each of the laser light sources 10R, 10G, and 10B periodically repeats a lighting state and a non-lighting state. A full-color image of one frame is composed of three sub-frames of red, green, and blue. The lighting times of the laser light sources 10R, 10G, and 10B may be different from each other.

フィールドシーケンシャル方式を採用する場合、液晶パネルの各画素領域を、順次、異なる色のレーザ光が透過するため、色ごとに画素を分ける必要がない。このため、フィールドシーケンシャル方式の液晶パネルでは、画素数(開口の個数)をカラーフィルタアレイの方式に比べて1/3に低減することができる。このことは、個々の画素サイズを拡大して回折効果を低減したり、液晶パネルの面積を縮小することに大きく寄与する。また、液晶パネルにカラーフィルタアレイを形成する工程が不要になるため、製造コストが低減され、安価で光透過率の高い液晶パネルを採用することができる。   When the field sequential method is employed, different color laser beams are sequentially transmitted through each pixel region of the liquid crystal panel, so that it is not necessary to divide the pixels for each color. For this reason, in the field sequential type liquid crystal panel, the number of pixels (the number of openings) can be reduced to 1/3 as compared with the color filter array type. This greatly contributes to reducing the diffraction effect by enlarging individual pixel sizes and reducing the area of the liquid crystal panel. Further, since a process of forming a color filter array on the liquid crystal panel is not necessary, the manufacturing cost is reduced, and an inexpensive liquid crystal panel with high light transmittance can be employed.

次に、図20を参照しながら、構成(3)の例を説明する。構成(3)のプロジェクタ100は、3つの空間光変調器20R、20G、20Bを備えている。空間光変調器20R、20G、20Bは、カラーフィルタアレイを備えていない。空間光変調器20R、20G、20Bは、それぞれ、異なる波長域のレーザ光で照射される。具体的には、空間光変調器20Rは、レーザ光源10Rから放射された赤色のレーザ光30Rによって照射される。同様に、空間光変調器20Gは、レーザ光源10Gから放射された緑色のレーザ光30Gによって照射され、空間光変調器20Bは、レーザ光源10Bから放射された青色のレーザ光30Bによって照射される。   Next, an example of the configuration (3) will be described with reference to FIG. The projector 100 having the configuration (3) includes three spatial light modulators 20R, 20G, and 20B. The spatial light modulators 20R, 20G, and 20B do not include a color filter array. Each of the spatial light modulators 20R, 20G, and 20B is irradiated with laser beams having different wavelength ranges. Specifically, the spatial light modulator 20R is irradiated with the red laser light 30R emitted from the laser light source 10R. Similarly, the spatial light modulator 20G is irradiated with the green laser light 30G emitted from the laser light source 10G, and the spatial light modulator 20B is irradiated with the blue laser light 30B emitted from the laser light source 10B.

図20のプロジェクタ100では、空間光変調器20R、20G、20Bから出射されたレーザビームの束がダイクロイックプリズム82によって合成される。   In the projector 100 of FIG. 20, a bundle of laser beams emitted from the spatial light modulators 20R, 20G, and 20B is synthesized by the dichroic prism 82.

このように発振波長域が異なる複数のレーザ素子を用いることによってカラー画像を形成することができるが、合成に用いるレーザ光の色は光の三原色に限定されない。赤、緑、青以外の色とは別の色に相当する波長のレーザを加えても良い。いわゆる多原色化により、色域を更に拡大することができる。また、上述したように、レーザ光は極めて単色性が高いため、従来型の光源を利用したプロジェクタに比べて色域が拡大され、表示画像の色再現性を大幅に向上させることができる。   As described above, a color image can be formed by using a plurality of laser elements having different oscillation wavelength ranges, but the color of laser light used for synthesis is not limited to the three primary colors of light. A laser having a wavelength corresponding to a color different from colors other than red, green, and blue may be added. The so-called multi-primary color can further expand the color gamut. Further, as described above, since laser light has extremely high monochromaticity, the color gamut is expanded as compared with a projector using a conventional light source, and the color reproducibility of a display image can be greatly improved.

なお、図20のプロジェクタ100の基本構成は、図9のプロジェクタ100の基本構成と同様であるが、図12から図15のプロジェクタ100における基本構成を採用してもよい。特に図15のプロジェクタ100が備える基本構成は、複雑な光学レンズ系が不要であるため、プロジェクタの小型軽量化に適している。   The basic configuration of projector 100 in FIG. 20 is the same as the basic configuration of projector 100 in FIG. 9, but the basic configuration in projector 100 in FIGS. 12 to 15 may be adopted. In particular, the basic configuration of the projector 100 of FIG. 15 is suitable for reducing the size and weight of the projector because a complicated optical lens system is unnecessary.

以下、図15のプロジェクタ100を実現するためのレーザ光源10の構成例と動作原理を説明する。このようなレーザ光源10としては、半導体レーザ素子が好適に用いられる。半導体レーザ素子から放射されるレーザ光は、それ自体の回折効果によって拡大する性質を持っているからである。以下、半導体レーザ素子の回折効果を説明する。   Hereinafter, a configuration example and an operation principle of the laser light source 10 for realizing the projector 100 of FIG. 15 will be described. As such a laser light source 10, a semiconductor laser element is preferably used. This is because the laser light emitted from the semiconductor laser element has a property of expanding due to its own diffraction effect. Hereinafter, the diffraction effect of the semiconductor laser element will be described.

<半導体レーザ素子の回折効果>
図21は、ある典型的な半導体レーザ素子の基本構成を模式的に示す斜視図である。図には、互いに直交するx軸、y軸、およびz軸から構成される座標軸が記載されている。この座標軸は、半導体レーザ素子に固有の座標軸であり、プロジェクタに固有の座標軸と異なる。区別のため、前者の座標軸を小文字のx、y、zで表記し、後者の座標軸を大文字のX、Y、Zで表記している。
<Diffraction effect of semiconductor laser element>
FIG. 21 is a perspective view schematically showing a basic configuration of a typical semiconductor laser element. In the figure, coordinate axes composed of an x-axis, a y-axis, and a z-axis that are orthogonal to each other are described. This coordinate axis is a coordinate axis unique to the semiconductor laser element, and is different from a coordinate axis unique to the projector. For distinction, the former coordinate axes are represented by lowercase x, y, and z, and the latter coordinate axes are represented by uppercase X, Y, and Z.

図21に示されている半導体レーザ素子10Dは、レーザ光を出射する発光領域(エミッタ)124を含む端面(ファセット)126aを持つ半導体積層構造122を有している。この例における半導体積層構造122は、半導体基板120上に支持されており、p側クラッド層122a、活性層122b、およびn側クラッド層122cを含んでいる。半導体積層構造122の上面126bには、ストライプ状のp側電極12が設けられている。半導体基板120の裏面には、n側電極16が設けられている。p側電極12からn側電極16に向かって、閾値を超える大きさの電流が活性層122bの所定領域を流れることにより、レーザ発振が生じる。半導体積層構造122の端面126aは、不図示の反射膜によって覆われている。レーザ光は、発光領域124から反射膜を介して外部に出射される。   A semiconductor laser device 10D shown in FIG. 21 has a semiconductor multilayer structure 122 having an end face (facet) 126a including a light emitting region (emitter) 124 that emits laser light. The semiconductor laminated structure 122 in this example is supported on the semiconductor substrate 120 and includes a p-side cladding layer 122a, an active layer 122b, and an n-side cladding layer 122c. A striped p-side electrode 12 is provided on the upper surface 126 b of the semiconductor multilayer structure 122. An n-side electrode 16 is provided on the back surface of the semiconductor substrate 120. When a current exceeding the threshold value flows from the p-side electrode 12 to the n-side electrode 16 through a predetermined region of the active layer 122b, laser oscillation occurs. The end surface 126a of the semiconductor stacked structure 122 is covered with a reflection film (not shown). The laser light is emitted from the light emitting region 124 to the outside through the reflective film.

図21に示される構成は、半導体レーザ素子10Dの構成の典型的な一例にすぎず、説明を簡単にするため、単純化されている。この単純化された構成の例は、後に詳しく説明する本開示の実施形態をなんら限定するものではない。なお、他の図面では、簡単のため、n側電極16などの構成要素の記載を省略する場合がある。   The configuration shown in FIG. 21 is only a typical example of the configuration of the semiconductor laser device 10D, and is simplified for the sake of simplicity. The example of the simplified configuration does not limit the embodiment of the present disclosure described in detail later. In other drawings, description of components such as the n-side electrode 16 may be omitted for simplicity.

図21に示される半導体レーザ素子10Dにおいて、半導体積層構造122の端面126aがxy面に平行であるので、レーザ光は発光領域124からz軸方向に出射する。レーザ光の光軸はz軸方向に平行である。発光領域124は、端面126aにおいて、半導体積層構造122の積層方向(y軸方向)に平行な方向のサイズEyと、積層方向に垂直な方向(x軸方向)のサイズExとを有している。一般にEy<Exの関係が成立する。   In the semiconductor laser device 10D shown in FIG. 21, since the end face 126a of the semiconductor multilayer structure 122 is parallel to the xy plane, the laser light is emitted from the light emitting region 124 in the z-axis direction. The optical axis of the laser light is parallel to the z-axis direction. In the end face 126a, the light emitting region 124 has a size Ey in a direction parallel to the stacking direction (y-axis direction) of the semiconductor stacked structure 122 and a size Ex in a direction perpendicular to the stacking direction (x-axis direction). . In general, the relationship Ey <Ex is established.

発光領域124のy軸方向サイズEyは、活性層122bの厚さによって規定される。活性層122bの厚さは、通常、レーザ発振波長の半分程度か、それ以下である。これに対して、発光領域124のx軸方向サイズExは、レーザ発振に寄与する電流または光を水平横方向(x軸方向)に閉じ込める構造、図21の例ではストライプ状のp側電極12の幅によって規定され得る。一般に、発光領域124のy軸方向サイズEyは0.1μm前後かそれ以下であり、x軸方向サイズExは1μmよりも大きい。光出力を高めるには発光領域124のx軸方向サイズExを拡大することが有効であり、x軸方向サイズExは例えば50μm以上に設定され得る。   The y-axis direction size Ey of the light emitting region 124 is defined by the thickness of the active layer 122b. The thickness of the active layer 122b is usually about half of the laser oscillation wavelength or less. On the other hand, the x-axis direction size Ex of the light emitting region 124 is a structure in which current or light contributing to laser oscillation is confined in the horizontal lateral direction (x-axis direction), in the example of FIG. Can be defined by width. In general, the y-axis direction size Ey of the light emitting region 124 is around 0.1 μm or less, and the x-axis direction size Ex is larger than 1 μm. In order to increase the light output, it is effective to enlarge the size Ex of the light emitting region 124 in the x-axis direction, and the x-axis direction size Ex can be set to 50 μm or more, for example.

本明細書において、Ex/Eyを発光領域の「アスペクト比」と称する。高出力半導体レーザ素子におけるアスペクト比(Ex/Ey)は、例えば50以上に設定され得るし、100以上に設定されても良い。本明細書においては、アスペクト比(Ex/Ey)が50以上の半導体レーザ素子をブロードエリア型半導体レーザ素子と称する。ブロードエリア型半導体レーザ素子では、水平横モードがシングルモードではなく、マルチモードで発振することが多い。   In the present specification, Ex / Ey is referred to as “aspect ratio” of the light emitting region. The aspect ratio (Ex / Ey) in the high-power semiconductor laser device can be set to 50 or more, for example, or may be set to 100 or more. In the present specification, a semiconductor laser element having an aspect ratio (Ex / Ey) of 50 or more is referred to as a broad area type semiconductor laser element. In a broad area type semiconductor laser device, the horizontal and transverse modes often oscillate in a multimode rather than a single mode.

図22Aは、半導体レーザ素子10Dの発光領域124から出たレーザ光30の拡がり方(ダイバージェンス)を模式的に示す斜視図である。図22Bは、レーザ光30の拡がり方を模式的に示す側面図であり、図22Cは、レーザ光30の拡がり方を模式的に示す上面図である。図22Bの右側には、参考のため、半導体レーザ素子10Dをz軸の正方向から視た正面図も記載されている。   FIG. 22A is a perspective view schematically showing how the laser beam 30 emitted from the light emitting region 124 of the semiconductor laser element 10D spreads (divergence). FIG. 22B is a side view schematically showing how the laser beam 30 spreads, and FIG. 22C is a top view schematically showing how the laser beam 30 spreads. On the right side of FIG. 22B, a front view of the semiconductor laser element 10D viewed from the positive direction of the z-axis is also shown for reference.

レーザ光30の断面におけるy軸方向のサイズは長さFy、x軸方向のサイズは長さFxによって規定される。Fyは、レーザ光30の光軸に交差する平面内において、光軸におけるレーザ光30の光強度を基準とするときのy軸方向における半値全幅(FWHM:Full Width at Half Maximun)である。同様に、Fxは、上記の平面内において、光軸におけるレーザ光30の光強度を基準とするときのx軸方向における半値全幅(FWHM)である。   The size in the y-axis direction in the cross section of the laser beam 30 is defined by the length Fy, and the size in the x-axis direction is defined by the length Fx. Fy is a full width at half maximum (FWHM) in the y-axis direction when the light intensity of the laser beam 30 on the optical axis is used as a reference in a plane intersecting the optical axis of the laser beam 30. Similarly, Fx is the full width at half maximum (FWHM) in the x-axis direction when the light intensity of the laser beam 30 on the optical axis is used as a reference in the plane.

レーザ光30のy軸方向の拡がりは角度θf、x軸方向の拡がりは角度θsによって規定される。θfは、発光領域124の中心から等距離の球面上において、その球面がレーザ光30の光軸に交差する点におけるレーザ光30の光強度を基準とするときのyz平面内における半値全角である。同様に、θsは、発光領域124の中心から等距離の球面上において、その球面がレーザ光30の光軸に交差する点におけるレーザ光30の光強度を基準とするときのxz平面内における半値全角である。   The spread of the laser beam 30 in the y-axis direction is defined by an angle θf, and the spread in the x-axis direction is defined by an angle θs. θf is a full width at half maximum in the yz plane when the light intensity of the laser beam 30 at the point where the spherical surface intersects the optical axis of the laser beam 30 on the spherical surface equidistant from the center of the light emitting region 124. . Similarly, θs is a half value in the xz plane when the light intensity of the laser beam 30 at the point where the spherical surface intersects the optical axis of the laser beam 30 on a spherical surface equidistant from the center of the light emitting region 124. Full-width.

図22Dは、レーザ光30のy軸方向における拡がりの例を示すグラフであり、図22Eは、レーザ光30のx軸方向における拡がりの例を示すグラフである。グラフの縦軸は規格化された光強度、横軸は角度である。z軸に平行な光軸上でレーザ光30の光強度はピーク値を示している。図22Dからわかるように、レーザ光30の光軸を含むyz面に平行な面内における光強度は、概略的にガウス分布を示す。これに対し、レーザ光30の光軸を含むxz面に平行な面内における光強度は、図22Eに示すように、比較的平坦なトップを持つ狭い分布を示す。この分布には、マルチモード発振に起因する複数のピークが生じることが多い。   22D is a graph showing an example of the spread of the laser light 30 in the y-axis direction, and FIG. 22E is a graph showing an example of the spread of the laser light 30 in the x-axis direction. The vertical axis of the graph is the normalized light intensity, and the horizontal axis is the angle. The light intensity of the laser beam 30 has a peak value on the optical axis parallel to the z-axis. As can be seen from FIG. 22D, the light intensity in a plane parallel to the yz plane including the optical axis of the laser beam 30 roughly shows a Gaussian distribution. On the other hand, the light intensity in the plane parallel to the xz plane including the optical axis of the laser beam 30 shows a narrow distribution with a relatively flat top, as shown in FIG. 22E. This distribution often has a plurality of peaks due to multimode oscillation.

レーザ光30の断面サイズを規定する長さFy、Fx、および、レーザ光30の拡がりを規定する角度θf、θsには、上記の定義以外の定義が与えられる場合もある。   The lengths Fy and Fx that define the cross-sectional size of the laser beam 30 and the angles θf and θs that define the spread of the laser beam 30 may be given definitions other than those described above.

図示されるように、発光領域124から出たレーザ光30の拡がり方は異方性を持ち、一般に、θf>θsの関係が成立する。θfが大きくなる理由は、発光領域124のy軸方向サイズEyがレーザ光30の波長以下であるため、y軸方向に強い回折が生じるからである。これに対して、発光領域124のx軸方向サイズExはレーザ光30の波長よりも十分に長く、x軸方向には回折が生じにくい。   As shown in the figure, the way in which the laser beam 30 emitted from the light emitting region 124 spreads has anisotropy, and generally the relationship θf> θs is established. The reason why θf becomes large is that strong diffraction occurs in the y-axis direction because the y-axis direction size Ey of the light emitting region 124 is less than or equal to the wavelength of the laser beam 30. On the other hand, the x-axis direction size Ex of the light emitting region 124 is sufficiently longer than the wavelength of the laser light 30, and diffraction hardly occurs in the x-axis direction.

図23は、レーザ光30の断面のy軸方向サイズFyおよびx軸方向サイズFxと、発光領域124からの距離(z軸方向の位置)との関係の例を示すグラフである。図23からわかるように、レーザ光30の断面は、発光領域124の近傍においては、相対的にx軸方向に長いニアフィールドパターン(NFP)を示すが、発光領域124から充分に遠ざかると、y軸方向に長く延びたファーフィールドパターン(FFP)を示すようになる。   FIG. 23 is a graph showing an example of the relationship between the y-axis direction size Fy and the x-axis direction size Fx of the cross section of the laser light 30 and the distance from the light emitting region 124 (position in the z-axis direction). As can be seen from FIG. 23, the cross section of the laser beam 30 shows a near-field pattern (NFP) that is relatively long in the x-axis direction in the vicinity of the light emitting region 124, but if it is sufficiently far from the light emitting region 124, y A far field pattern (FFP) extending in the axial direction is shown.

このように、レーザ光30の断面の拡大は、発光領域124から離れるに従って、y軸方向では「速(fast)」く、x軸方向では「遅(slow)」い。このため、半導体レーザ素子10Dを座標の基準として、y軸方向は速軸(fast axis)方向、x軸方向は遅軸(slow axis)方向と称されている。   As described above, the enlargement of the cross section of the laser beam 30 is “fast” in the y-axis direction and “slow” in the x-axis direction as the distance from the light emitting region 124 increases. Therefore, with the semiconductor laser element 10D as a coordinate reference, the y-axis direction is referred to as a fast axis direction and the x-axis direction is referred to as a slow axis direction.

図24は、半導体レーザ素子10Dを用いて、図15のプロジェクタ100を実現するための構成例を示す斜視図である。この例において、半導体レーザ素子10Dは、パッケージ400に搭載されている。パッケージ400は、半導体レーザ素子10Dが固定される不図示のヒートシンク、半導体レーザ素子10Dに駆動電流を供給する金属配線、これらを支持するステムなどを備えているが、周知であるため、図示は省略する。パッケージ400の向きは、半導体レーザ素子10Dの半導体積層方向(y軸方向すなわち速軸方向)が図24における縦方向(Y軸方向)に直交するように決定されている。図24では、単一の半導体レーザ素子10Dのみが記載されているが、複数の半導体レーザ素子10Dが使用される場合は、全ての半導体レーザ素子10Dの半導体積層方向が縦方向(Y軸方向)に一致する。   FIG. 24 is a perspective view illustrating a configuration example for realizing the projector 100 of FIG. 15 using the semiconductor laser element 10D. In this example, the semiconductor laser element 10D is mounted on a package 400. The package 400 includes a heat sink (not shown) to which the semiconductor laser element 10D is fixed, a metal wiring that supplies a driving current to the semiconductor laser element 10D, a stem that supports these, and the like, but is not shown because it is well known. To do. The direction of the package 400 is determined so that the semiconductor lamination direction (y-axis direction, that is, the fast axis direction) of the semiconductor laser element 10D is orthogonal to the vertical direction (Y-axis direction) in FIG. In FIG. 24, only a single semiconductor laser element 10D is shown, but when a plurality of semiconductor laser elements 10D are used, the semiconductor stacking direction of all the semiconductor laser elements 10D is the vertical direction (Y-axis direction). Matches.

図24に示されるように、半導体レーザ素子10Dから出たレーザ光30は、光軸(z軸)に垂直な断面において速軸(y軸)方向におけるサイズFyが遅軸(x軸)方向におけるサイズFxよりも大きな形状を有しており、このような非等方的な形状を有するレーザ光30で空間光変調器20を照射する。   As shown in FIG. 24, the laser beam 30 emitted from the semiconductor laser element 10D has a size Fy in the fast axis (y axis) direction in the slow axis (x axis) direction in a cross section perpendicular to the optical axis (z axis). The spatial light modulator 20 is irradiated with the laser light 30 having a shape larger than the size Fx and having such an anisotropic shape.

図24に示される例において、空間光変調器20上におけるレーザ光30の光変調領域(光透過領域の全体)20Tは、X軸方向(横方向)における第1のサイズTXと、X軸方向に垂直なY軸方向(垂直方向)における第2のサイズTYを有し、第1のサイズTXは第2のサイズTYよりも大きい。この例では、半導体レーザ素子10Dの速軸(y軸)方向が空間光変調器20における光変調領域20TのX軸方向に一致するように配置されている。言い換えると、半導体レーザ素子10Dは、半導体積層方向(y方向または速軸方向)が空間光変調器20の光変調領域20Tの最小寸法方向(Ty方向すなわちY軸方向)に対して直交するように配置されている。そして、半導体レーザ素子10Dから放射されたレーザ光30は、光軸(z軸)に垂直な断面を拡大しながら空間光変調器20の光変調領域20Tに入射し、レーザ光30の照射領域は光変調領域20Tの全体を含む。このような構成を採用することにより、半導体レーザ素子10Dから出たレーザ光30の自然な拡がりを利用して、効果的に空間光変調器20の光変調領域20Tを照射することができる。このため、レンズまたはミラーによる光量の損失を低減しつつ、プロジェクタ100の小型軽量化および製造コストを低下することができる。   In the example shown in FIG. 24, the light modulation region (entire light transmission region) 20T of the laser light 30 on the spatial light modulator 20 has a first size TX in the X-axis direction (lateral direction) and the X-axis direction. Has a second size TY in the Y-axis direction (vertical direction) perpendicular to the first size TX, and the first size TX is larger than the second size TY. In this example, the semiconductor laser device 10 </ b> D is arranged so that the fast axis (y-axis) direction coincides with the X-axis direction of the light modulation region 20 </ b> T in the spatial light modulator 20. In other words, in the semiconductor laser device 10D, the semiconductor lamination direction (y direction or fast axis direction) is orthogonal to the minimum dimension direction (Ty direction, that is, Y axis direction) of the light modulation region 20T of the spatial light modulator 20. Is arranged. Then, the laser light 30 emitted from the semiconductor laser element 10D enters the light modulation region 20T of the spatial light modulator 20 while enlarging a cross section perpendicular to the optical axis (z axis), and the irradiation region of the laser light 30 is The entire light modulation region 20T is included. By adopting such a configuration, it is possible to effectively irradiate the light modulation region 20T of the spatial light modulator 20 using the natural spread of the laser light 30 emitted from the semiconductor laser element 10D. For this reason, it is possible to reduce the size and weight of the projector 100 and to reduce the manufacturing cost while reducing the loss of light amount due to the lens or the mirror.

図25は、プロジェクタ100の筐体内に発振波長が異なる3個の半導体レーザ素子10Dが配置されている構成例を模式的に示す斜視図である。異なる色のレーザ光30はダイクロイックプリズム82によって合成されて空間光変調器20を照射する。全ての半導体レーザ素子10Dについて、半導体積層方向(速軸方向)が空間光変調器20の光変調領域20Tの最小寸法方向(Ty方向すなわちY軸方向)に対して直交するように配置されている。このような構成によれば、各半導体レーザ素子10Dから出たレーザ光30の自然な拡がりを利用して、効果的に空間光変調器20の光変調領域20Tの全体を照射することができる。なお、図25の構成において、不図示のミラーまたは絞りなどの光学素子がプロジェクタ100内に配置されていても良い。   FIG. 25 is a perspective view schematically showing a configuration example in which three semiconductor laser elements 10D having different oscillation wavelengths are arranged in the housing of the projector 100. FIG. The laser beams 30 of different colors are combined by the dichroic prism 82 and irradiate the spatial light modulator 20. All the semiconductor laser elements 10D are arranged so that the semiconductor lamination direction (fast axis direction) is orthogonal to the minimum dimension direction (Ty direction, that is, Y-axis direction) of the light modulation region 20T of the spatial light modulator 20. . According to such a configuration, the entire light modulation region 20T of the spatial light modulator 20 can be effectively irradiated using the natural spread of the laser light 30 emitted from each semiconductor laser element 10D. In the configuration of FIG. 25, an optical element such as a mirror or a diaphragm (not shown) may be arranged in the projector 100.

高い光出力が求められる用途では、半導体レーザ素子10Dのチップ面積がますます大きくなりつつある。図25に示すように、全ての半導体レーザ素子10Dの半導体積層方向が筐体のベース100Cに対して平行になる配置を実現することにより、ベース100C上における半導体レーザ素子10Dの占有面積を縮小してプロジェクタ100の小型化をはかることができる。   In applications where high light output is required, the chip area of the semiconductor laser element 10D is increasing. As shown in FIG. 25, by realizing an arrangement in which the semiconductor lamination direction of all the semiconductor laser elements 10D is parallel to the base 100C of the housing, the occupation area of the semiconductor laser element 10D on the base 100C is reduced. Thus, the projector 100 can be downsized.

図25には、各半導体レーザ素子10Dを収容するパッケージは図示されてない。各半導体レーザ素子10Dのチップ面積が大きくなると、パッケージのサイズは半導体レーザ素子10Dの半導体積層方向には相対的に短く、半導体積層方向に垂直な方向には相対的に長くなり得る。このため、半導体レーザ素子10Dがパッケージに収納されている場合でも、図25の配置は専有面積の縮小に寄与する。   FIG. 25 does not illustrate a package that accommodates each semiconductor laser element 10D. As the chip area of each semiconductor laser element 10D increases, the package size may be relatively short in the semiconductor stacking direction of the semiconductor laser element 10D and relatively long in the direction perpendicular to the semiconductor stacking direction. For this reason, even when the semiconductor laser element 10D is housed in a package, the arrangement of FIG. 25 contributes to the reduction of the exclusive area.

なお、通常の半導体レーザ素子10Dから放射されるレーザ光30は、遅軸(x軸)方向に直線偏光している。このような半導体レーザ素子10Dを用いる場合、空間光変調器20の光変調領域20Tは、Y軸方向に直線偏光したレーザ光30で照射されることになる。空間光変調器20が前述したTN液晶の液晶パネルによって実現されている場合は、光出射側の偏光フィルムの偏光透過軸は、ノーマリオンまたはノーマリオフの動作に応じて、X軸方向またはY軸方向に一致するように設定される。前述したように、表示画像のコントラストの観点から、光出射側の偏光フィルムの偏光透過軸は、空間光変調素子20に入射するときのレーザ光30の偏光方向に対して直交していることが好ましい。言い換えると、光出射側の偏光フィルムの偏光透過軸は、光変調領域20Tの最小寸法方向(Ty方向すなわちY軸方向)に対して直交していることが好ましい。いわゆる黒浮きのない高コントラストな画像表示が実現できるからである。   The laser beam 30 emitted from the normal semiconductor laser element 10D is linearly polarized in the slow axis (x axis) direction. When such a semiconductor laser element 10D is used, the light modulation region 20T of the spatial light modulator 20 is irradiated with laser light 30 linearly polarized in the Y-axis direction. When the spatial light modulator 20 is realized by the above-described TN liquid crystal panel, the polarization transmission axis of the polarizing film on the light exit side is the X-axis direction or the Y-axis direction according to the normally-on or normally-off operation. To match. As described above, from the viewpoint of the contrast of the display image, the polarization transmission axis of the polarizing film on the light output side is orthogonal to the polarization direction of the laser beam 30 when entering the spatial light modulator 20. preferable. In other words, the polarization transmission axis of the light emitting side polarizing film is preferably orthogonal to the minimum dimension direction (Ty direction, that is, Y-axis direction) of the light modulation region 20T. This is because high-contrast image display without so-called black floating can be realized.

上記のように配置された空間光変調器20と半導体レーザ素子10Dとの間には、レーザ光30の断面形状または光強度分布を調整する目的で、コリメートレンズなどのビーム成形レンズや絞りが配置されても良い。また、図24および図25の構成を採用する場合であっても、空間光変調器20の光出射側に投影倍率調整レンズを設けることを排除しない。   Between the spatial light modulator 20 and the semiconductor laser element 10D arranged as described above, a beam shaping lens such as a collimator lens or a diaphragm is arranged for the purpose of adjusting the cross-sectional shape or light intensity distribution of the laser light 30. May be. Further, even when the configurations of FIGS. 24 and 25 are employed, it is not excluded to provide a projection magnification adjusting lens on the light emitting side of the spatial light modulator 20.

半導体レーザ素子10Dをレーザ光源10として用いると、光源サイズが極めて小さく、また、半導体レーザ素子10Dそのものが示す回折効果によってレーザ光を拡げることができるため、従来のプロジェクタに比べて顕著な小型化を達成することができる。半導体レーザ素子10Dは、一般的に直径が5.6mm、または、3.0mmなどのパッケージに装填されて製品化されているが、その中に実装される半導体レーザ素子10Dのチップサイズは、例えば共振器長方向(z軸方向)に1.0mm、端面の横方向(x軸方向)に0.3mm、厚さ方向(y軸方向)に0.05mmと大変小さい。このような小型のレーザ光源と小型の液晶パネルを用いると、携帯用の小型プロジェクタを実現することができる。カラー表示を行う場合、上述したカラーフィルタアレイを備える構成であれば、例えば横8mm×縦6mmのサイズを有する液晶パネルを用いることができる。また、フィールドシーケンシャル方式であれば、表示に必要な画素数を1/3に減らすことができるため、例えば横4mm×縦3mmのサイズ、またはそれ以下のサイズを有する超小型液晶パネルを採用し、プロジェクタを更に小さくすることが可能になる。このようなプロジェクタであれば、例えばノートパソコンのディスプレイ上部に取り付けることにより、デスクトップまたは部屋の壁面に対してフォーカスフリーで画像を投影して表示することが可能になる。このような構成例は、反射型ではなく透過型の空間光変調器を採用することによって簡便に実現できる。   When the semiconductor laser element 10D is used as the laser light source 10, the light source size is extremely small, and the laser beam can be expanded by the diffraction effect exhibited by the semiconductor laser element 10D itself. Can be achieved. The semiconductor laser element 10D is generally commercialized by being loaded in a package having a diameter of 5.6 mm or 3.0 mm. The chip size of the semiconductor laser element 10D mounted therein is, for example, It is as small as 1.0 mm in the resonator length direction (z-axis direction), 0.3 mm in the lateral direction (x-axis direction) of the end face, and 0.05 mm in the thickness direction (y-axis direction). When such a small laser light source and a small liquid crystal panel are used, a portable small projector can be realized. In the case of performing color display, a liquid crystal panel having a size of, for example, 8 mm wide × 6 mm long can be used as long as the color filter array described above is provided. In addition, since the number of pixels necessary for display can be reduced to 1/3 with the field sequential method, for example, an ultra-small liquid crystal panel having a size of 4 mm wide × 3 mm long or smaller is employed. The projector can be further reduced in size. With such a projector, for example, by attaching it to the upper part of the display of a notebook personal computer, it becomes possible to project and display an image on the desktop or room wall surface in a focus-free manner. Such a configuration example can be easily realized by adopting a transmissive spatial light modulator instead of a reflective type.

上記の例では、半導体レーザ素子10Dとして、半導体積層構造の端面からレーザ光を放射する端面発光型の半導体レーザ素子を用いているが、本開示のプロジェクタに採用可能な半導体レーザ素子10Dは、この例に限定されない。面発光型の半導体レーザ素子を用いても良い。   In the above example, an edge-emitting semiconductor laser element that emits laser light from the end face of the semiconductor multilayer structure is used as the semiconductor laser element 10D. However, the semiconductor laser element 10D that can be employed in the projector of the present disclosure is It is not limited to examples. A surface emitting semiconductor laser element may be used.

本開示のプロジェクタは、人間の目に見える静止画または動画をスクリーン上に表示する用途以外の用途に用いることもできる。   The projector of the present disclosure can also be used for purposes other than the purpose of displaying a still image or a moving image that can be seen by human eyes on a screen.

図26は、表面に凹凸または曲面を有するワーク200bに像を投影する露光装置の構成の例を示している。フォーカスフリーの特性を活かして、従来の露光装置では困難であった対象物の表面に設けた感光性樹脂をマスクレスで露光することが可能になる。   FIG. 26 shows an example of the configuration of an exposure apparatus that projects an image onto a workpiece 200b having an uneven surface or curved surface. Taking advantage of the focus-free characteristics, it becomes possible to expose a photosensitive resin provided on the surface of an object, which has been difficult with a conventional exposure apparatus, without a mask.

図27は、イメージセンサなどの受光素子200cの受光面に光ビーム300の束を入射する構成の例を示している。空間光変調器20が形成する二次元パターンは、例えば、伝達すべき情報を示すように符号化されている。このように符号化された情報は、空間光変調器20から出射された光ビーム300の束が示す空間的な強度分布に反映される。受光素子200cは、光ビーム300の束が示す空間的な強度分布を検知する。受光素子200cの出力に基づいて、不図示のコンピュータは上記の情報を復号化することができる。このように本開示のプロジェクタは情報の送信装置に適用することも可能である。   FIG. 27 shows an example of a configuration in which a bundle of light beams 300 is incident on a light receiving surface of a light receiving element 200c such as an image sensor. The two-dimensional pattern formed by the spatial light modulator 20 is encoded so as to indicate information to be transmitted, for example. The encoded information is reflected in the spatial intensity distribution indicated by the bundle of light beams 300 emitted from the spatial light modulator 20. The light receiving element 200c detects a spatial intensity distribution indicated by the bundle of light beams 300. Based on the output of the light receiving element 200c, a computer (not shown) can decode the information. Thus, the projector according to the present disclosure can be applied to an information transmission device.

図26および図27に示す例では、レーザ光の波長は可視光域から外れていてもよい。紫外線または赤外線の波長域のレーザ光であっても本開示のプロジェクタに用いることができる。本開示のプロジェクタにより、例えば感光性樹脂の所望の位置に適切な波長の光を照射して3Dプリンティングを実現することも可能である。光ビームの出力を高めることにより、物体上の照射点の温度を局所的に高め、物体の加工または表面処理を行っても良い。   In the examples shown in FIGS. 26 and 27, the wavelength of the laser beam may be out of the visible light range. Even laser light in the ultraviolet or infrared wavelength region can be used in the projector of the present disclosure. With the projector of the present disclosure, for example, it is possible to realize 3D printing by irradiating light of an appropriate wavelength to a desired position of the photosensitive resin. By increasing the output of the light beam, the temperature of the irradiation point on the object may be locally increased, and the object may be processed or surface-treated.

装置の小型軽量化という観点からは、レーザ光源10として半導体レーザ素子を用いることが好ましいが、本発明はそのような例に限定されない。レーザ光源10の一部または全部が、半導体レーザ素子以外のレーザ装置によって構成されていても良い。光出力が高い他の固体レーザ装置または気体レーザ装置などの高出力レーザ装置を用いてもよい。高出力レーザ装置を用いることにより、室外など投射距離が長い状況下でのプロジェクタの使用を行うことが可能になる。また、より大容量の情報通信を実現したり、物体のより広い領域に対する加工または表面処理を高速に行うことも可能になる。   From the viewpoint of reducing the size and weight of the apparatus, it is preferable to use a semiconductor laser element as the laser light source 10, but the present invention is not limited to such an example. Part or all of the laser light source 10 may be configured by a laser device other than the semiconductor laser element. A high-power laser device such as another solid-state laser device or a gas laser device having a high light output may be used. By using the high-power laser device, the projector can be used under a situation where the projection distance is long, such as outdoors. In addition, it is possible to realize information communication with a larger capacity and to perform processing or surface treatment on a wider area of the object at high speed.

空間光変調器としてスライド(ポジ型フィルム)、プレパラート試料、切り絵などを用いる場合、「開口」の形状および大きさは、液晶パネルとは異なり、1つの空間光変調器内において多様であり得る。   When a slide (positive film), a preparation sample, a paper cutout, or the like is used as the spatial light modulator, the shape and size of the “aperture” can be varied within one spatial light modulator, unlike a liquid crystal panel. .

本開示のプロジェクタは、フォーカスフリーである特長を活かして、傾斜したスクリーンや、表面に凹凸がある物体に像を投影する種々の用途に広く利用され得る。像が投影される対象は、スクリーンのみならず、壁、ガラス、デスクトップ、建物、道路、車両、身体の一部(例えば腕、手のひら、背中など)または全身、水滴または粉末粒子の集まり、流動体、半透明体、感光性樹脂、イメージセンサなどを広く含む。   The projector according to the present disclosure can be widely used in various applications for projecting an image onto an inclined screen or an object having irregularities on the surface, taking advantage of the focus-free feature. The object on which the image is projected is not only a screen, but also a wall, glass, desktop, building, road, vehicle, body part (eg arm, palm, back, etc.) or whole body, a collection of water droplets or powder particles, fluid Widely includes translucent materials, photosensitive resins, image sensors and the like.

10 レーザ光源
10R 第1のレーザ素子
10G 第2のレーザ素子
10B 第3のレーザ素子
10D 半導体レーザ素子
12 半導体レーザ素子のp側電極
16 半導体レーザ素子のn側電極
18 インコヒーレント光源
20、20R、20G、20B 空間光変調器
20T 空間光変調器の光変調領域
21 液晶層
22 開口(アパーチャ)
23a、23b 透明基板
24 画素電極
25 対向電極
26 カラーフィルタアレイ
28a 第1の偏光フィルム
28b 第2の偏光フィルム
29 マイクロレンズアレイ
30、30R、30G、30B レーザ光
40 ビーム成形レンズ
40a 凹レンズ
40b 凸レンズ
50 投影倍率調整レンズ
50b 凸レンズ(投影倍率調整レンズ)
60 レーザドライバ
70 SLMドライバ
80 ミラー
100 プロジェクタ
120 半導体基板
122 半導体積層構造
122a p側クラッド層
122b 活性層
122c n側クラッド層
124 発光領域(エミッタ)
126a 端面(ファセット)
126b 半導体積層構造の上面
200 スクリーン
200b ワーク
200c 受光素子
250 液晶パネル
300、300R、300G、300B 光ビーム
400 パッケージ
550 投射レンズ光学系
10 laser light source 10R first laser element 10G second laser element 10B third laser element 10D semiconductor laser element 12 p-side electrode 16 of semiconductor laser element n-side electrode 18 of semiconductor laser element incoherent light sources 20, 20R, 20G 20B Spatial light modulator 20T Spatial light modulator light modulation region 21 Liquid crystal layer 22 Opening (aperture)
23a, 23b Transparent substrate 24 Pixel electrode 25 Counter electrode 26 Color filter array 28a First polarizing film 28b Second polarizing film 29 Micro lens array 30, 30R, 30G, 30B Laser light 40 Beam shaping lens 40a Concave lens 40b Convex lens 50 Projection Magnification adjustment lens 50b Convex lens (Projection magnification adjustment lens)
60 Laser driver 70 SLM driver 80 Mirror 100 Projector 120 Semiconductor substrate 122 Semiconductor laminated structure 122a P-side cladding layer 122b Active layer 122c n-side cladding layer 124 Light emitting region (emitter)
126a End facet (facet)
126b Top surface 200 of semiconductor laminated structure Screen 200b Workpiece 200c Light receiving element 250 Liquid crystal panel 300, 300R, 300G, 300B Light beam 400 Package 550 Projection lens optical system

Claims (13)

フォーカスフリーで物体に像を投影するプロジェクタであって、
前記像を規定する二次元パターンを形成する透過型空間光変調器と、
前記空間光変調器をレーザ光で照射するレーザ光源と、
を備え、
前記空間光変調器は、前記二次元パターンの空間強度分布を持つ複数の光ビームの束を前記レーザ光から生成し、
前記レーザ光源は、第1の波長域で発振する第1のレーザ素子および第2の波長域で発振する第2のレーザ素子を含む複数のレーザ素子を有しており、前記レーザ光の波長域は、前記第1の波長域および前記第2の波長域を含み、
前記空間光変調器は、位置に応じて異なる波長域の光を選択的に透過するカラーフィルタアレイを有している、プロジェクタ。
A projector that projects an image onto an object in a focus-free manner,
A transmissive spatial light modulator that forms a two-dimensional pattern defining the image;
A laser light source for irradiating the spatial light modulator with laser light;
With
The spatial light modulator generates a bundle of a plurality of light beams having a spatial intensity distribution of the two-dimensional pattern from the laser light,
The laser light source has a plurality of laser elements including a first laser element that oscillates in a first wavelength range and a second laser element that oscillates in a second wavelength range, and the wavelength range of the laser light Includes the first wavelength range and the second wavelength range,
The spatial light modulator includes a color filter array that selectively transmits light in different wavelength ranges according to positions.
フォーカスフリーで物体に像を投影するプロジェクタであって、
前記像を規定する二次元パターンを形成する透過型空間光変調器と、
前記空間光変調器をレーザ光で照射するレーザ光源と、
を備え、
前記空間光変調器は、前記二次元パターンの空間強度分布を持つ複数の光ビームの束を前記レーザ光から生成し、
前記レーザ光源は、第1の波長域で発振する第1のレーザ素子および第2の波長域で発振する第2のレーザ素子を含む複数のレーザ素子を有しており、
前記レーザ光源は、前記空間光変調器を異なる波長域のレーザ光で、順次、照射する、プロジェクタ。
A projector that projects an image onto an object in a focus-free manner,
A transmissive spatial light modulator that forms a two-dimensional pattern defining the image;
A laser light source for irradiating the spatial light modulator with laser light;
With
The spatial light modulator generates a bundle of a plurality of light beams having a spatial intensity distribution of the two-dimensional pattern from the laser light,
The laser light source has a plurality of laser elements including a first laser element that oscillates in a first wavelength range and a second laser element that oscillates in a second wavelength range,
The laser light source sequentially irradiates the spatial light modulator with laser beams having different wavelength ranges.
前記空間光変調器によって生成された前記複数の光ビームを前記物体に入射させ、前記物体上における個々の光ビームの照射点を画素とする像を前記物体上に形成する、請求項1または2に記載のプロジェクタ。   3. The plurality of light beams generated by the spatial light modulator are incident on the object, and an image is formed on the object with the irradiation points of the individual light beams on the object as pixels. Projector. 前記空間光変調器は、前記複数の光ビームをそれぞれ通過させる複数の開口を有しており、開口ごとに1本の光ビームを出射する、請求項1から3のいずれかに記載のプロジェクタ。   The projector according to claim 1, wherein the spatial light modulator has a plurality of openings through which the plurality of light beams respectively pass, and emits one light beam for each opening. 前記空間光変調器は、駆動信号に応答して各開口の光透過率を変化させる、請求項4に記載のプロジェクタ。   The projector according to claim 4, wherein the spatial light modulator changes a light transmittance of each aperture in response to a drive signal. 前記レーザ光源から出た前記レーザ光は、光軸に垂直な断面を拡大しながら前記空間光変調器に入射し、
前記空間光変調器の各開口から出射される光ビームの出射角度は、前記二次元パターンによらず開口ごとに一定である、請求項4または5に記載のプロジェクタ。
The laser light emitted from the laser light source enters the spatial light modulator while enlarging a cross section perpendicular to the optical axis,
The projector according to claim 4 or 5, wherein an emission angle of a light beam emitted from each opening of the spatial light modulator is constant for each opening regardless of the two-dimensional pattern.
前記空間光変調器は、前記複数の光ビームを出射する側のみに偏光フィルムを備えており、
前記偏光フィルムの偏光透過軸は、前記空間光変調器に入射するときの前記レーザ光の偏光方向に対して直交している、請求項1から6のいずれかに記載のプロジェクタ。
The spatial light modulator includes a polarizing film only on the side from which the plurality of light beams are emitted,
The projector according to claim 1, wherein a polarization transmission axis of the polarizing film is orthogonal to a polarization direction of the laser light when entering the spatial light modulator .
前記複数のレーザ素子は、第3の波長域で発振する第3のレーザ素子を含む、請求項1から7のいずれかに記載のプロジェクタ。   The projector according to claim 1, wherein the plurality of laser elements include a third laser element that oscillates in a third wavelength region. 前記物体と前記空間光変調器との間に配置された投影倍率調整レンズを備える、請求項1から8のいずれかに記載のプロジェクタ。   The projector according to any one of claims 1 to 8, further comprising a projection magnification adjusting lens disposed between the object and the spatial light modulator. 前記物体と前記空間光変調器との間に配置されたマイクロレンズアレイを備える、請求項1から9のいずれかに記載のプロジェクタ。   The projector according to claim 1, further comprising a microlens array disposed between the object and the spatial light modulator. 前記空間光変調器と前記レーザ光源の間に配置されたビーム成形レンズを備える、請求項1から10のいずれかに記載のプロジェクタ。   The projector according to claim 1, further comprising a beam shaping lens disposed between the spatial light modulator and the laser light source. フォーカスフリーで物体に像を投影するプロジェクタであって、
前記像を規定する二次元パターンを形成する透過型空間光変調器と、
前記空間光変調器をレーザ光で照射するレーザ光源と、
を備え、
前記空間光変調器は、前記二次元パターンの空間強度分布を持つ複数の光ビームの束を前記レーザ光から生成し、
前記レーザ光源は、前記レーザ光を放射する半導体レーザ素子を有し、前記半導体レーザ素子は、前記レーザ光を出射する発光領域を含む端面を持つ半導体積層構造を有し、前記発光領域は、前記半導体積層構造の積層方向に平行な速軸方向のサイズおよび前記積層方向に垂直な遅軸方向のサイズを有しており、
前記半導体レーザ素子から出た前記レーザ光は、光軸に垂直な断面において、前記速軸方向におけるサイズが前記遅軸方向におけるサイズよりも大きな形状を有しており、前記形状を有する前記レーザ光で前記空間光変調器を照射する、
前記空間光変調器上における前記レーザ光の照射領域は、第1の方向における第1のサイズと、前記第1の方向に垂直な第2の方向における第2のサイズを有し、前記第1のサイズは前記第2のサイズよりも大きく、
前記半導体レーザ素子の前記速軸方向は、前記照射領域の前記第1の方向に一致している、プロジェクタ。
A projector that projects an image onto an object in a focus-free manner,
A transmissive spatial light modulator that forms a two-dimensional pattern defining the image;
A laser light source for irradiating the spatial light modulator with laser light;
With
The spatial light modulator generates a bundle of a plurality of light beams having a spatial intensity distribution of the two-dimensional pattern from the laser light,
The laser light source includes a semiconductor laser element that emits the laser light, and the semiconductor laser element has a semiconductor stacked structure having an end surface including a light emitting region that emits the laser light, and the light emitting region includes The semiconductor multilayer structure has a fast axis size parallel to the stacking direction and a slow axis size perpendicular to the stacking direction,
The laser beam emitted from the semiconductor laser element has a shape whose size in the fast axis direction is larger than that in the slow axis direction in a cross section perpendicular to the optical axis, and the laser beam having the shape Irradiating the spatial light modulator with
The irradiation region of the laser light on the spatial light modulator has a first size in a first direction and a second size in a second direction perpendicular to the first direction, Is larger than the second size,
The projector, wherein the fast axis direction of the semiconductor laser element coincides with the first direction of the irradiation region.
フォーカスフリーで物体に像を投影するプロジェクタであって、
前記像を規定する二次元パターンを形成する複数の透過型空間光変調器と、
前記複数の空間光変調器をそれぞれ異なる波長域のレーザ光で照射する複数のレーザ光源と、
を備え、
前記複数の空間光変調器のそれぞれは、前記二次元パターンの空間強度分布を持つ複数の光ビームの束を前記レーザ光から生成する、プロジェクタ。
A projector that projects an image onto an object in a focus-free manner,
A plurality of transmissive spatial light modulators forming a two-dimensional pattern defining the image;
A plurality of laser light sources for irradiating the plurality of spatial light modulators with laser beams of different wavelength ranges,
With
Each of the plurality of spatial light modulators generates a bundle of a plurality of light beams having a spatial intensity distribution of the two-dimensional pattern from the laser light.
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